Verbesserung des MeerKAT-Radioteleskopnetzwerks in Südafrika mit 20 zusätzlichen Teleskopen. Eine Information des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie, Bonn.
Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.
Das MeerKAT-Erweiterungsprojekt (MK+) stellt eine erhebliche Verbesserung des MeerKAT-Radioteleskops in der Karoo-Halbwüste in Südafrika dar. Gegenwärtig besteht das Teleskop aus 64 Einzelantennen, die zu einem virtuellen Radioteleskop mit einem Durchmesser von 8 km elektronisch zusammengeschaltet werden. Im Rahmen dieses Projekts wird sowohl die Gesamtzahl von Antennen auf 84 vergrößert als auch der virtuelle Durchmesser auf 17 km erweitert. Dadurch ergibt sich ein deutlicher Zuwachs an Empfindlichkeit, Winkelauflösung und Bildqualität.
Die Erweiterung wird gemeinsam finanziert vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) und von der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland.
Die von den deutschen und den südafrikanischen Partnern angestrebte wissenschaftliche Zielrichtung umfasst umfangreiche Kartierungen des südlichen Himmels in einer Reihe von Beobachtungsfrequenzen, die eine Fundgrube für zukünftige Untersuchungen in so unterschiedlichen Bereichen darstellen werden wie Pulsare und schnelle Radiostrahlungsausbrüche, Kosmologie und großskalige Strukturen im Universum, extragalaktische Objekte sowie Quellen in unserer Milchstraße.
(Bild: MPIfR/Gundolf Wieching)
Das MeerKAT-Radioteleskop stellt einen Vorläufer für das „Square Kilometre Array“ (SKA) dar, das Projekt eines Radioteleskops der nächsten Generation mit weltweiter Beteiligung und Teleskopstandorten im südlichen Afrika und in Australien. MeerKAT und die hier vorgestellte Erweiterung werden zu einem späteren Zeitpunkt in den im südlichen Afrika anzusiedelnden Teil des SKA integriert und werden als SKA-MID den mittleren zu beobachtenden Frequenzbereich des SKA umfassen.
Diese nächste Generation von Radioteleskopen wird erheblich verbesserte Untersuchungen in einer Vielzahl von Bereichen der Radioastronomie ermöglichen. Die Messung von extrem genau gehenden Pulsaruhren bietet eine einzigartige Möglichkeit, Verbiegungen der Raumzeit und damit extrem langwellige Gravitationswellen aufzuspüren. Die Erforschung von jungen Galaxien bei sehr großer Rotverschiebung könnte dabei helfen, der Natur der geheimnisvollen Dunklen Energie auf die Spur zu kommen. Karten der dreidimensionalen Verteilung von kosmischen Magnetfeldern führen zu einem besseren Verständnis ihrer Auswirkung auf Objekte im Universum. Ein Blick zurück ins sogenannte „Dunkle Zeitalter“, bevor das Universum im Licht von Sternen und Galaxien erstrahlte, gäbe Gelegenheit zu verstehen, wie Schwarze Löcher und Sterne sich gebildet haben. Und schließlich könnte die Erforschung von komplexen Molekülen in Richtung der Voraussetzungen für die Entstehung von Leben im Universum führen.
Mit der Erweiterung des MeerKAT-Teleskops wird die wissenschaftliche und technologische Kooperation weiter vertieft, die schon durch die enge Zusammenarbeit zwischen dem “South African Radio Astronomy Observatory” (SARAO) und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) in Deutschland im Rahmen von MeerKAT begonnen wurde. Es wird zu einer Fundgrube neuer wissenschaftlicher Daten für die internationale astronomische Gemeinschaft führen und schließlich auch hinführen zum „Square Kilometre Array“ als dem großen Radioteleskop-Projekt der Zukunft.
Mit dem MK+ Projekt wird das bestehende MeerKAT-Observatorium durch die Integration von 20 weiteren Parabolantennen maßgeblich verbessert. Diese Erweiterung wird von SARAO und MPG gemeinsam finanziert.
MeerKAT umfasst zur Zeit 64 Parabolantennen. Diese Zahl wird durch MK+ auf 84 vergrößert. Wichtig dabei ist, dass durch die Erweiterung auch der maximale Abstand zwischen den Antennen von 8 auf 17 km heraufgesetzt wird. Dadurch wird sowohl die Empfindlichkeit des Teleskops für schwache Quellen als auch seine Fähigkeit zur Darstellung detaillierterer Radiobilder vergrößert. Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Computer für die Datenanalyse werden mit der Erweiterung um einen Faktor 10 ansteigen.
Die südafrikanischen Partner sind verantwortlich für die Errichtung der Infrastruktur vor Ort, für einen Teil der Empfangssysteme und deren Kühlung sowie die Geräte für die Datenanalyse, während von den deutschen Partnern die neuen Teleskopantennen im Design der Parabolspiegel für das „Square Kilometre Array“ zur Verfügung gestellt werden, weiterhin Instrumentierung in Form von Empfängern und Systemen für Datenaufnahme und Datenverarbeitung für MK+. Beide Partnerländer beteiligen sich mit jeweils 20 Millionen Euro (bzw. 400 Millionen Rand) an dem Projekt.
Deutsche Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen stellen einen wesentlichen Anteil am Industrialisierungsprogramm für den südafrikanischen Teil des „Square Kilometre Array“ (SKA-MID) und sind in maßgeblicher Weise an den laufenden Designaktivitäten beteiligt. Im Konsortium für Entwurf und Fertigung der SKA-Antennen spielen beide eine Schlüsselrolle und sind zusammen mit internationalen Partnern für den Entwurf der Parabolantennen verantwortlich, die den mittleren Frequenzbereich des SKA abdecken. In diesem Rahmen hat die Max-Planck-Gesellschaft bereits den Bau einer Referenzantenne veranlasst („SKA-Max-Planck-Dish-Demonstrator“), die zur Zeit von einem südafrikanischen Team vor Ort in der Karoo-Region auf die nötigen Anforderungen hin getestet wird (siehe Abb. 1).
Dr. Molapo Qhobela, der Vorsitzende der National Research Foundation in Südafrika, erwartet, dass die MeerKAT-Erweiterung ein deutlich leistungsfähigeres Teleskop zur Untersuchung der Entstehung und Entwicklung von Galaxien im Verlauf der Geschichte des Universums darstellen wird. „Die Erweiterung von MeerKAT vergrößert die Empfindlichkeit der Empfangssysteme um ca. 50%, dadurch wird eine wesentlich schnellere Kartierung des Himmels möglich und der Nachweis von extrem schwachen astronomischen Quellen.“
MK+ ist eng verbunden mit dem Infrastrukturprojekt für die Umsetzung der ersten Phase des südafrikanischen Teils des SKA, welches für den mittleren zu beobachtenden Frequenzbereich aufgebaut wird. Unternehmen, die an diesem Erweiterungsprojekt beteiligt sind, hätten damit auch eine Expertise zur Beteiligung an dem Nachfolgeprojekt.
Die 20 zusätzlichen Parabolantennen des MK+-Projekts werden voraussichtlich zu einem späteren Zeitpunkt auch in die erste Phase für das „Square Kilometre Array“ integriert und werden einen Teil des insgesamt 197 Antennen umfassenden SKA-MID darstellen.
Das MK+-Projekt wurde im Jahr 2019 im Rahmen einer gründlichen wissenschaftlichen Bewertung und technischen Planung gestartet. Die wesentlichen Ausschreibungen für die Erweiterung sind auf dem Weg und erste Aktivitäten zum Aufbau vor Ort sind für Mitte 2021 vorgesehen. Die weiteren Schritte bis hin zur Vollendung und wissenschaftlichen Inbetriebnahme sollten bis 2023 abgeschlossen sein.
„Ich bin davon beeindruckt, was bis jetzt schon mit dem MeerKAT-Teleskop erreicht wurde und wir sind stolz darauf, mit unseren südafrikanischen Partnern bei der Erweiterung des Teleskops zu kooperieren“, schließt Prof. Martin Stratmann, der Präsident der Max-Planck-Gesellschaft, der den Standort von MeerKAT in Südafrika im January 2020 besucht hat (siehe Abb. 2). „Das muss man wirklich selbst erlebt haben – es ist ein sehr eindrucksvoller Anblick!“
(Bild: SARAO)
Hintergrundinformationen:
Das South African Radio Astronomy Observatory (SARAO), eine Einrichtung der „National Research Foundation“, leitet alle radioastronomischen Aktivitäten und Anlagen in Südafrika, wie z.B. das MeerKAT-Radioteleskop in der Karoo-Halbwüste und den Geodäsie- und VLBI-Betrieb am HartRAO. SARAO koordiniert das “African Very Long Baseline Interferometry Network“ (AVN) für acht SKA-Partnerländer in Afrika sowie den südafrikanischen Beitrag zur Infrastruktur und technischen Planung für das Radioteleskop-Netzwerk des „Square Kilometre Array“ (SKA).
Die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) in Deutschland ist eine gemeinnützige Organisation mit insgesamt 86 Instituten und Forschungseinrichtungen. Innerhalb der MPG spielt das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) eine Schlüsselrolle im Konsortium für Entwurf und Fertigung der Antennen für das SKA („Dish Engineering Consortium“). Zusammen mit Industriepartnern in Deutschland wie MT Mechatronics (MTM, einem Spezialisten für den Bau von Teleskopantennen, und internationalen Partnern ist das Antennenkonsortium verantwortlich für den Entwurf des mittelfrequenten Teils das SKA (SKA-MID). Das MPIfR und die MPG haben in Partnerschaft mit SARAO bereits 16 Millionen Euro in MeerKAT investiert. Das ging einerseits in den Aufbau eines hochmodernen Empfangssystems im S-Band-Bereich ( 1,6 – 3,5 GHz) mit „Beamformer“ und leistungsfähigem Datenanalysesystem zur Entdeckung von Radiopulsaren und Kurzzeitphänomenen („transients“), andererseits in den „SKA-Max-Planck-Dish-Demonstrator“, der zur Zeit am Standort von MeerKAT in Betrieb genommen wird.
Das Square Kilometre Array (SKA) ist ein internationales Projekt zum Aufbau des größten Radioteleskops der Welt mit einer Sammelfläche von einem ganzen Quadratkilometer (oder einer Million Quadratmetern). Das SKA wird an zwei unterschiedlichen Standorten errichtet, für den niederfrequenten Bereich (SKA-LOW) in Australien und für einen mittleren Frequenzbereich (SKA-MID) im südlichen Afrika. Es wird einen bisher nicht erreichten Anwendungsbereich umfassen und die Bildqualität des Hubble-Weltraumteleskops um das 50fache übertreffen, mit der zusätzlichen Möglichkeit, auch ausgedehnte Bereiche des Himmels gleichzeitig zu erfassen.
Das MeerKAT-Teleskop in der Karoo-Halbwüste in Südafrika ist ein Radioteleskop-Netzwerk, das sich zur Zeit aus 64 Parabolantennen mit jeweils 13,5 m Durchmesser zusammensetzt. Der Name des Projekts wurde von dem früheren „Karoo Array Telescope“ (KAT) abgeleitet. Die Hinzunahme von zusätzlichen Teleskopantennen (also „meer KAT“) führte schließlich zu dem Namen „MeerKAT“, der in der Burensprache auch das Erdmännchen („meerkat“) bezeichnet. Die 64 Antennen bilden zusammengenommen ein virtuelles Radioteleskop mit einer maximalen Ausdehnung von 8 km. Damit wurden bereits in einer frühen Phase beeindruckende Ergebnisse erzielt – eine hochaufgelöste Radiokarte im Bereich des galaktischen Zentrums aus dem Jahr 2019 gibt ein schönes Beispiel. Mit dem MeerKAT-Erweiterungsprojekt (MK+) wird die Anzahl der Einzelantennen um 20 auf 84 erhöht und ebenfalls die maximale Ausdehnung von 8 auf 17 km vergrößert. MeerKAT ist der Vorläufer für den mittleren Frequenzbereich des SKA (SKA-MID) am dafür vorgesehen Ort und wird zu einem späteren Zeitpunkt in dieses insgesamt 197 Parabolspiegel umfassende Projekt integriert werden.
Interview: Das Square Kilometer Array (6. März 2015)
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