Am Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT) in den Niederlanden wird eine neue Technik zur Verbesserung der Radioastronomie entwickelt, um die Verdauung einer neuen Ära in der Radioastronomie zu unterstützen. Durch Hinzufügen einer Detektorplatte zur Brennebene von nur einer der 14 Funkantennen am WSRT konnten Astronomen des niederländischen Instituts für Radioastronomie (ASTRON) zwei Pulsare abbilden, die durch mehr als 3,5 Bogengrade voneinander getrennt sind ungefähr 7 mal so groß wie der Vollmond von der Erde aus gesehen.
Das neue Projekt namens Apertif verwendet eine Reihe von Detektoren in der Brennebene des Radioteleskops. Dieser „Phased Array Feed“ - bestehend aus 121 separaten Detektoren - vergrößert das Sichtfeld des Radioteleskops um mehr als das 30-fache. Auf diese Weise können Astronomen einen größeren Teil des Himmels im Funkspektrum sehen. Warum ist das wichtig? Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine Schüssel Suppe mit einem Fingerhut zu essen - Sie können immer nur einen kleinen Teil der Suppe gleichzeitig in den Mund nehmen. Stellen Sie sich dann vor, Sie versuchen es mit einer Kelle zu essen.
Dieselbe Analogie der Vermessung und Beobachtung des Himmels für Funkquellen gilt. Dr. Tom Oosterloo, der Principle Investigator des Apertif-Projekts, erklärt das Fleisch der neuen Technik:
„Die Phased-Array-Einspeisung besteht aus 121 kleinen Antennen, die eng zusammengepackt sind. Diese Matrix umfasst etwa 1 Quadratmeter. Jedes WSRT hat eine solche Antennenmatrix im Fokus. Diese Matrix tastet das Strahlungsfeld in der Brennebene vollständig ab. Durch die Kombination der Signale aller 121 Elemente entsteht ein „zusammengesetzter Strahl“ [sic] kann gebildet werden, die so gesteuert werden kann, dass sie auf eine beliebige Stelle innerhalb eines Bereichs von 3 × 3 Grad am Himmel zeigt. Durch Kombinieren der Signale aller 121 Elemente kann die Reaktion des Teleskops optimiert werden, d. H. Alle optischen Verzerrungen können entfernt werden (weil das Strahlungsfeld vollständig gemessen wird). Dieser Prozess wird 37 Mal parallel durchgeführt, d. H. Es werden 37 Verbundstrahlen gebildet. Jeder Verbundstrahl fungiert grundsätzlich als separates Teleskop. Wenn wir dies in allen WSRT-Gerichten tun, haben wir 37 WSRTs parallel. Indem wir alle Strahlen zu verschiedenen Orten innerhalb des 3 × 3-Grad-Bereichs lenken, können wir diesen Bereich vollständig beobachten. “
Mit anderen Worten, herkömmliche Radioteleskope verwenden nur einen einzigen Detektor in der Brennebene des Teleskops (wobei die gesamte Strahlung vom Teleskop fokussiert wird). Die neuen Detektoren ähneln in etwa dem CCD-Chip in Ihrer Kamera oder den in modernen optischen Teleskopen wie Hubble verwendeten. Jeder separate Detektor im Array empfängt Daten, und durch Kombinieren der Daten zu einem zusammengesetzten Bild kann ein Bild hoher Qualität erfasst werden.
Das neue Array wird auch das Sichtfeld des Radioteleskops erweitern, was diese jüngste Beobachtung weit auseinanderliegender Pulsare am Himmel ermöglichte, ein Meilenstein für das Projekt. Als zusätzlichen Bonus erhöht der neue Detektor den Wirkungsgrad der „Apertur“ von 55% bei herkömmlichen Antennen auf rund 75%.
Dr. Oosterloo erklärte: „Die Apertureffizienz ist höher, weil wir das Strahlungsfeld in der Brennebene viel besser kontrollieren können. Bei den klassischen Einzelantennensystemen (wie beim alten WSRT oder wie beim eVLA) wird das Strahlungsfeld nur an einem einzigen Punkt gemessen. Durch Messung des Strahlungsfeldes über die gesamte Brennebene und durch geschickte Kombination der Signale aller Elemente können optische Verzerrungseffekte minimiert und ein größerer Teil der einfallenden Strahlung zur Abbildung des Himmels verwendet werden. “
Derzeit gibt es nur eine der 14 mit Apertif ausgestatteten Funkantennen. Joeri Van Leeuwen, ein Forscher bei ASTRON, sagte in einem E-Mail-Interview, dass 2011 12 der Antennen mit dem neuen Detektorarray ausgestattet werden.
Himmelsvermessungen waren in den letzten Jahren ein Segen für Astronomen. Durch die Aufnahme enormer Datenmengen und die Bereitstellung für die wissenschaftliche Gemeinschaft konnten Astronomen viel mehr Entdeckungen machen, als sie durch die Beantragung von Zeit auf unterschiedlichen Instrumenten hätten machen können.
Obwohl es bisher einige Himmelsvermessungen im Funkspektrum gegeben hat - die VLA FIRST-Vermessung ist die bekannteste -, hat das Feld noch einen langen Weg vor sich. Apertif ist der erste Schritt in Richtung einer detaillierten Untersuchung des gesamten Himmels im Funkspektrum, und es wird erwartet, dass mit der neuen Technik viele Entdeckungen gemacht werden.
Apertif wird voraussichtlich über 1.000 Pulsare entdecken, basierend auf der aktuellen Modellierung der galaktischen Pulsarpopulation. Es wird auch ein nützliches Werkzeug sein, um neutralen Wasserstoff im Universum in großem Maßstab zu untersuchen.
Dr. Oosterloo et. al. In einem im Juli 2010 auf Arxiv veröffentlichten Artikel schrieb er: „Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Anwendungen von Weitfeld-Radioteleskopen, die bei GHz-Frequenzen arbeiten, ist die Beobachtung großer Raumvolumina, um eine Bestandsaufnahme des neutralen Wasserstoffs im Universum vorzunehmen. Mit solchen Informationen können die Eigenschaften des neutralen Wasserstoffs in Galaxien als Funktion von Masse, Typ und Umgebung sehr detailliert untersucht werden, und vor allem kann zum ersten Mal die Entwicklung dieser Eigenschaften mit Rotverschiebung untersucht werden. “
Das Hinzufügen des Funkspektrums zu den Vermessungen des sichtbaren und des infraroten Himmels würde dazu beitragen, aktuelle Theorien über das Universum zu verfeinern und neue Entdeckungen zu machen. Je mehr Augen wir in verschiedenen Spektren am Himmel haben, desto besser.
Obwohl Apertif der erste derartige Detektor ist, ist geplant, andere Radioteleskope mit dieser Technologie zu aktualisieren. Oosterloo sagte über andere solche Projekte: „Phased-Array-Feeds werden auch von ASKAP, dem australischen SKA Pathfinder, erstellt. Dies ist ein Instrument mit ähnlichen Eigenschaften wie Apertif. Es ist unser Hauptkonkurrent, obwohl wir auch in vielen Dingen zusammenarbeiten. Mir ist auch bekannt, dass derzeit bei Arecibo ein Prototyp getestet wird. In Kanada arbeitet DRAO (Dominion Radio Astrophysical Observatory) an der Entwicklung von Phased-Array-Feeds. Allerdings werden nur Apertif und ASKAP kurzfristig ein tatsächliches Radioteleskop mit funktionierenden Phased-Array-Feeds bauen. “
Am 22. und 23. November fand in Dwingeloo, Drenthe, Niederlande, ein wissenschaftliches Koordinierungstreffen zum Apertif-Projekt statt. Oosterloo sagte, dass an dem Treffen 40 Astronomen aus Europa, den USA, Australien und Südafrika teilgenommen haben, um die Zukunft des Projekts zu diskutieren, und dass großes Interesse am Potenzial der Technik besteht.
Quellen: ASTRON-Pressemitteilung, Arxiv, E-Mail-Interview mit Dr. Tom Oosterloo und Dr. Joeri Van Leeuwen
