LOFAR

Inhaltsverzeichnis

1. LOw Frequency ARray (LOFAR)
2. LOFAR Key Science Projekte
3. Solare Radioastronomie mit LOFAR
4. Weiteres wissenschaftliches Interesse am AIP
5. LOFAR Stationen in Deutschland - GLOW
6. LOFAR Station am AIP in Bornim

LOw Frequency ARray (LOFAR)

LOFAR ist ein neuartiges Radio-Interferometer im Frequenzbereich von 10 MHz - 250 MHz. Es wurde von ASTRON bei Exloo in den Niederlanden entwickelt. In der ersten Konstruktionsphase bestand es aus 40 Antennenstationen. 20 davon in einem kompakten Kern bei Exloo mit einem Durchmesser von 2 km. 20 weitere Stationen befinden sich in größerer Entfernung und bilden in etwa eine logarithmische Spirale im Norden der Niederlande. Diese Konfiguration enthält Basislinien von etwa 100 km.

Eine LOFAR-Station besteht aus zwei Antennenfeldern für Tief- (10 MHz - 90 MHz) und Hochband (110 MHz - 250 MHz) Frequenzen. Die Antennen sind einfache Dipol-Antennen. Die Lücke zwischen 90 MHz und 110 MHz vermeidet die UKW Radiofrequenzen, die Beobachtungen in diesem Bereich verhindern.

Bei "klassischen" Radio-Interferometern wird ein Feld von Parabolantennen auf die Quellregion am Himmel ausgerichtet. Die Antennensignale werden mit genau definierten Phasenverschiebungen korreliert und daraus ein Bild erzeugt. Mit so einer Konfiguration kann man immer nur eine Quelle auf einer Frequenz beobachten. LOFAR arbeitet nach einem anderen Prinzip und bietet so hohe Flexibilität und Vielseitigkeit. LOFAR benutzt Felder einfacher Dipol-Antennen, die fast den ganzen Himmel abdecken. An jeder LOFAR-Station wird das Antennensignal digitalisiert, vor-prozessiert und an das Central Processing System (CPS) in Groningen gesendet, wo das Signal korreliert und weiter verarbeitet wird. Dieses Design erlaubt die gleichzeitige Beobachtung auf bis zu 8 verschiedenen Quellen am Himmel. Die langen Basislinien ermöglichen eine Auflösung von Bogensekunden und die große Sammelfläche aller LOFAR-Stationen zusammen bietet eine Auflösung von mJy. Dadurch werden die Möglichkeiten herkömmlicher Radioteleskope in Auflösung und Sensitivität deutlich übertroffen.

LOFAR Key Science Projekte

Mit seiner hohen Sensitivität und Flexibilität ist LOFAR ein geeignetes Instrument für eine Vielzahl von wissenschaftlichen Themen, vom frühen Universum bis zum erdnahen Weltraum. Für Radiobeobachtungen mit LOFAR gilt besonderes Interesse den folgenden "Key Science Projekten":

• Solare Physik und Weltraumwetter
  Die Sonne ist eine starke Radioquelle. Ausbrüche solarer Radioemission sind dicht verbunden mit den Phänomenen der aktiven Sonne wie Flares und koronale Massenauswürfe. Die Sonnenaktivität hat starke Auswirkungen auf die Erde und den erdnahen Weltraum. Der Begriff Weltraumwetter fasst diese Phänomene zusammen, die im Key Science Project "Solar Physics and Space Weather with LOFAR" untersucht werden.
• Epoche der Reionisation
  LOFAR wird auch die 21-cm-Linie des neutralen Wasserstoffs des frühen Universums zur Zeit des Reionisationsepoche beobachten. Auf diese Art lässt sich Information über die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien sowie über die Strukturbildung des frühen Universums gewinnen.
• Tiefe extragalaktische Durchmusterung
  LOFAR wird den Himmel mit hoher Sensitivität vermessen und einen Katalog von Radioquellen liefern. Die Anwendungen reichen von schwarzen Löchern über Galaxien bis zu Glaxienhaufen. Die Entdeckung neuer Phänomene wird erwartet.
• Kurzzeitereignisse
  Regelmäßiges Überwachen eines Großteils des Himmels wird variable Radioquellen hervorbringen und Kurzzeitereignisse entdecken. Kandidaten für solche Radioausbrüche sind Flare-Sterne, Röntgendoppelsterne, Supernovas und Gammastrahlungsausbrüche.
• Kosmischer Magnetismus
  Teilchen komischer Strahlung emittieren im schwachen Magnetfeld von Galaxien Synchrotronstrahlung, die mit LOFAR beobachtet werden kann. Damit lässt sich das magnetische Feld in entfernten Galaxien bestimmen, wodurch sich neue Erkenntnisse über die Dynamik von Galaxien gewinnen lassen.
• Ultra-Hochenergie Kosmische Strahlung
  Wenn ein hochenergetisches Teilchen der Kosmischen Strahlung ein Atom der Erdatmosphäre trifft, löst es eine Kaskade von Sekundärteilchen aus, die wiederum einen Blitz von Radiowellen emittiert. LOFAR-Beobachtungen dieser Blitze werfen Licht auf die Quellen der kosmischen Strahlung.

Solare Radioastronomie mit LOFAR

Solare Radioemission im LOFAR Frequenzbereich kommt von der mittleren und oberen Korona. Mit seinen Abbildungsmöglichkeiten ist LOFAR daher ein ideales Instrument für die Untersuchung von  Koronalen Massenauswürfen (CMEs) und zur Abschätzung ihres möglichen Einflusses auf die Erde. Das ist von großem Nutzen für die Erforschung des Weltraumwetters.

Bei niedrigen Frequenzen beobachten nur wenige Instrumente die Sonnen mit abbildenden Instrumenten. Z.B. der Radioheliograph bei Nancay, Frankreich, beobachtet auf ausgewählten Frequenzen im Bereich von 150 MHz - 432 MHz und erreicht eine Bildauflösung von 1'. LOFAR wird diese Situation mit Routinebeobachtungen deutlich verbessern, und wird den Frequenzbereich zu niedrigen Frequenzen bis 10 MHz erweitern. Mit gleichzeitigen Beobachtungen auf mehreren Frequenzen wird es möglich sein, verschiedene Höhen gleichzeitig zu untersuchen und Strukturen in den koronalen Radioquellen zu entdecken, die bisher noch unbekannt sind. Die Flexibilität von LOFAR erlaubt unterschiedliche Beobachtungsmodi, die auf unterschiedliche wissenschaftliche Ziele zugeschnitten sind:

• Reaktion auf Solare Radio Burst
  Da die Steuerung von LOFAR grundsätzlich über Software erfolgt, ist es möglich, schnell auf Veränderungen in der solaren Aktivität zu reagieren. Wenn ein ununterbrochen verwendetes solares Radiospektrometer, wie z.B. das Observatorium für Solar Radioastronomy, einen Burst detektiert ("burst bell"), können Nachfolgebeobachtungen mit LOFAR angestoßen werden. Das kann z.B. eine schnelle Folge von Bildern auf verschiedenen Frequenzen sein.
• Routine-Beobachtungen von solarer Aktivität
  Kontinuierliches Überwachen der Sonne erlaubt Langzeitstudien über die Entwicklung von aktiven Regionen und liefert Informationen über die Vorboten von solaren Radio Bursts, Flares und CMEs. Kontinuierliche Abbilden würden eine Sequenz von 1 Bild / Minute beinhalten. Solche Beobachtungen können idealerweise mit optischen Bildern kombiniert werden, wie die H-Alpha Bilder des Kanzelhöhe Sonnen-Observatoriums.
• Weltraumwetter-Studien
  Das Phänomen der aktiven Sonne, wie Flares und CMEs, kann ernste Folgen für die irdische Umgebung haben. Auf diese Beziehung wird meist als Weltraumwetter verwiesen. LOFARs Frequenzbereich deckt Radioquellen in der oberen Korona ab. Das ist die Region, in der CMEs beginnen und sich in Richtung interplanetarer Raum bewegen. Mit LOFAR-Bildern eines entstehenden CMEs wird es möglich sein, die möglichen Folgen bei seinem Eintreffen auf der Erde abzuschätzen.
• Beobachtungskamapgnen
  Gleizeitige Beobachtungen bei unterschiedlichen Wellenlängen sind wichtig für ein besseres Verständnis der physikalischen Vorgänge in Flares und CMEs. Hochenergetische Elektronen der Sonnenatmosphäre emittieren nicht nur Radiowellen, sondern auch Röntgenstrahlung. Die Heizung der Korona führt hingegen zur EUV-Emission und der Einfluss eines Flares auf die Chromosphäre ist bei Optischen und Milimeter-Wellenlängen beobachtbar. Daher sind gemeinsame Beobachtungskampagnen mit Röntgenteleskopen wie STIX auf Solar Orbiter, dem japanischen Hinode oder dem Solar Dynamics Observatory der NASA ebenso wichtig wie mit optischen Teleskopen wie GREGOR oder Teleskopen bei Millimeterwellenlängen wie ALMA.
  Für Untersuchungen von CME und energetischen Elektronen, die Typ III Radiobursts verursachen, eignen sich gemeinsame Beobachtungen von LOFAR und Radioempfängern im Weltraum, da die Frequenz von Radioemission mit wachsenden Abstand zur Sonnen abnimmt und bodengebundene Beobachtungen von Frequenzen unterhalb von 10 MHz wegen ionosphärischer Reflexion nicht möglich ist. Ein Beispiel für solche Weltraummissionen sind Solar Orbiter and Parker Solar Probe, die zusätzlich energetische Elektronen vor Ort beobachten können.
• Einzelstation als Spektrometer
  Neben den obigen Beobachtungsmodi, die das gesamte LOFAR System zur Abbildung nutzen gibt es auch die Möglichkeit einzelne Stationen für Sonnenbeobachtungen zu nutzen. Das könnte möglich sein, wenn ein LOFAR Beobachtungsprogramm nur den LOFAR Kern und so entfernte Stationen wie die in Bornim verfügbar sind. In diesem Fall wird das Radiospektrum der Sonne in bestimmten Frequenzbereichen beobachtet. So eine Beobachtung nutzt LOFAR sehr effizient.

Weitere Informationen zur solaren Radioastronomie mit LOFAR gibt es in der Broschüre Solar Physics with LOFAR (PDF, 1071 KB).

Weiteres wissenschaftliches Interesse an LOFAR am AIP

LOFAR ist ein leistungsstarkes und flexibles Radioteleskop das für viele wissenschaftliche Anwendungen nützlich ist. Beide Forschungsbereiche des AIP haben die weiteren wissenschaftlichen Interessen:

• Solar-Stellar Verbindung
  Die Sonne ist der einzige Stern, der direkt von der Erde aus mit abbildenden Teleskopen beobachtet werden kann. Untersuchungen der Sonne als ein typischer Hauptreihenstern sind daher von großem Interesse für die stellare Astrophysik.
• Extragalaktische Astronomy
  LOFAR ist in der Lage, die Entstehung und Entwicklung von Galaxien, Galaxienhaufen und aktiven galaktischen Kernen (AGN) zu beobachten, sowie die Reionisationepoche von Materie im frühen Universum durch das UV-Licht der ersten Sterne und Quasare.
• Galaktische Astronomie
  Mit LOFAR wird es möglich sein, die Absorption und Polarisation von Radiowellen im interstellaren Medium zu studieren, sowie Schocks und Teilchenbeschleunigung von Supernovaüberresten.
• Vollständige Himmelsdurchmusterungen
  LOFAR wird Radiokarten des gesamten von Europa aus sichtbaren Himmels mit unerreichter Empfindlichkeit und Auflösung produzieren. Die Entdeckung von vielen neuen Objekten kann erwartet werden.
• Datenintensive Radioastronomie
  LOFAR Beobachtungen produzieren große Mengen an Daten. Ihre Verarbeitung und Speicherung erfordert eine angemessene Infrastruktur. Daher ist E-Science ein essentieller Bestandteil von LOFAR. Der Verein für Datenintensive Radioastronomie (VdR) koordiniert die Aktivitäten zur Nutzung großer Mengen radioastronomischer Daten in Deutschland.

LOFAR-Stationen in Deutschland - GLOW

Eine Gruppe von deutschen Instituten, die sich an LOFAR beteiligen, wie z.B. AIP und das MPI für Radioastronomie, haben das German LOng Wavelength consortium (GLOW) gegründet.

Die GLOW - Partner betreiben insgesamt 6 LOFAR - Stationen in Deutschland, darunter die des AIP in Potsdam - Bornim.

Weitere Informationen über LOFAR Aktivitäten in Deutschland finden sich unter http://www.lofar.de.

LOFAR-Station am AIP in Bornim

Das AIP betreibt die LOFAR-Station in Potsdam-Bornim (52.438° N, 13.016° E). Das Bild zeigt eine Luftaufnahme des Geländes. Die Antennenfelder für Tief- (10 - 90 MHz) und Hochband - (110 - 250 MHz) Antennenfelder mit einem Durchmesser von jeweils 70 m sind deutlich zu erkennen. Der Standort hat den Vorteil, dass es möglich ist die Station mit einer schneller Datenverbindung von 5 GBit/s über das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) anzubinden, was für ihren Betrieb notwendig ist.