Projekte |
Home->Übersicht |
Projekt "Radioastronomie"
(Arbeitsgemeinschaft Jugend forscht des Christian-Gymnasiums Hermannsburg)
|
Inhalt: Geschichte Strahlungsfenster der Atomsphäre Empfang extraterrestrischer Radiostrahlung Extraterrestrische Radioquellen Radioastronomische Forschung |
 Das 100 m Radioteleskop in Effelsberg bei Nacht |
Geschichte |
||
 Eines der ersten Radioteleskope [1]
|
Während die Menschen bereits seit mehreren Tausend Jahren die Sterne und den Verlauf der Himmelskörper beobachtet haben, beschränkten sich die Erkenntnisse bis in die Neuzeit auf das von den Himmelskörpern ausgehende, mit den Augen wahrnehmbare Licht. Etwa seit dem
17. Jahrhundert wurden zunehmend leistungsfähigere optische Instrumente entwickelt, die seit dem das Wissen über „Sonne Mond und Sterne“ immer weiter ausdehnte und schließlich in die moderne Wissenschaft der Astronomie – einem Teilgebiet der Physik – führte. Obwohl selbst bei stärkster Vergrößerung Sterne immer nur als Punkte wahrgenommen werden, erlaubt die genaue Analyse der spektralen Zusammensetzung des Lichtes eines bestimmten Himmelskörpers erstaunlich viele Aussagen nicht nur über seine Temperatur, sondern auch seine Größe, seine Entfernung und seine Geschwindigkeit, mit der er sich auf uns zu oder von uns weg bewegt. Die Steigerung der Messgenauigkeit insbesondere zur Messung der Helligkeit hat im letzten Jahrzehnt außerdem den Nachweis von nicht selbst leuchtenden Objekten, wie z.B. Planeten um andere Sonnen, ermöglicht. |
|
|
Mit dem Aufkommen der drahtlosen Kommunikation durch die Erfindungen von Marconi und die genaueren Untersuchungen wie z.B. von Hertz hat sich zum Beginn des 20. Jahrhunderts ein weiteres „Fenster“ zu den Sternen aufgetan, als man zwischen 1929 und 1932 feststellte, dass bestimmte Störungen in der drahtlosen Übertragung von Informationen nicht durch terrestrische Störquellen, sondern durch Strahlungsquellen aus dem Weltraum verursacht wurden.
|
Radioteleskope |
|
 |
 |
Die Strahlungsfenster unserer Erdatmosphäre |
||
 Strahlungsfenster der Erdatmosphäre |
||
| Nicht nur Himmelskörper, sondern auch interstellare Gaswolken und sogar der kosmische Hintergrund senden Strahlung in Form von elektromagnetischen Wellen aus. Je nach Wellenlänge bezeichnen wir sie als Licht, Radiowellen, Röntgen- oder Gammastrahlung. Unsere Atmosphäre hat allerdings die Eigenschaft, nur einige wenige Wellenlängenbereiche durchzulassen, alle anderen werden absorbiert und sind somit für uns auf der Erdoberfläche nicht wahrnehmbar. Wie man der Abbildung oben entnehmen kann, gibt es drei wesentliche „Fenster“: das optische Fenster, auf das auch unsere Augen eingerichtet sind, mehrere eng nebeneinander liegende Fenster im Infraroten, und das Radiofenster. Die Radioastronomie nutzt letzteres, um Informationen über Himmelskörper zu erhalten, die sich nur durch ihre Radiostrahlung, nicht aber über ihr optische Strahlung gewinnen lassen. |
 Aufnahme der Milchstraße im optisch sichtbaren Bereich [3]
|
|
|
Strahlungsfenster |
||
|
|
Empfang extraterrestrischer Radiostrahlung |
||
| Die von solchen Quellen ausgehende Radiostrahlung ist extrem schwach, so wäre die Strahlung eines Handys, das auf der Mondoberfläche liegen würde, bereits die viertstärkste Radioquelle am Himmel. |
 Prinzip eines VLA unter Verwendung erdgestützter Teleskope und eines Satelliten [4] |
|
|
Empfangstechnik |
||
|
Damit man sie dennoch empfangen kann, muss das Signal so weit wie möglich verstärkt werden. Dafür kommen zwei Möglichkeiten in Frage: Wie bei einem optischen Teleskop verwendet man einen möglichst großen Hohlspiegel, um die Fläche zu vergrößern, von der aus die Strahlung gebündelt werden kann. Das größte Radioteleskop der Welt (Arecibo) hat einen Durchmesser von ca. 300 m und ist fest in ein Tal eingebaut, das größte voll bewegliche europäische Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 100 m und einer Masse von 3 600 t steht in Effelsberg bei Bonn (zum Vergleich: das derzeit größte optische Teleskop hat einen Spiegeldurchmesser von knapp 10 m). Durch Verknüpfen der Daten mehrere Radioteleskope kann man aber auch virtuelle Spiegeldurchmesser von mehreren Tausend Kilometern erreichen (VLA – Very Large Array). |
||
| Während bei einem optischen Teleskop die Lichtempfindlichkeit der Kamera ausschlaggebend dafür ist, wie gut schwach leuchtende Objekte abgebildet werden können, benötigt man bei einem Radioteleskop, das im Prinzip nichts anderes ist als eine sehr große Antenne, einen rauscharmen, hochempfindlichen Verstärker. Die Entwicklung neuer elektronischer Bauelemente in den letzten 50 Jahren hat ganz wesentlich dazu beigetragen, dass die Radioastronomie heute in der Lage ist, sogar Spuren von Molekülen in den Gaswolken weit entfernter Galaxien nachzuweisen. | ||
| Zwischen optischen und Radioteleskopen gibt es einen weiteren sehr entscheidenden Unterschied: während ein optisches Teleskop einen bestimmten Himmelsausschnitt in seiner Gesamtheit erfasst und abbildet, empfängt ein Radioteleskop immer nur Radiostrahlung von dem Punkt, auf den es ausgerichtet ist. Um ein „Bild“ zu erzeugen, muss es die gewünschte Region punktweise abrastern, dazu muss es in bestimmten Grenzen sehr präzise ausgerichtet und nachgeführt werden können, so erlaubt z.B. das Teleskop in Effelsberg eine Zielgenauigkeit von ca. 5 Bogensekunden, das ist etwas mehr als ein Tausendstel Grad. | ||
 Prinzipieller Aufbau eines Radioteleskops |
||
|
|
Extraterrestrische Radioquellen |
|
|
Bei aller Suche nach Außerirdischen, die im Rahmen des SETI-Projektes seit den 60-er Jahren verfolgt wird und
bei dem versucht wird, künstliche Quellen
aufzuspüren, sind alle bisher gemessenen Radioquellen natürlichen Ursprungs.
Für die Entstehung der Strahlung kommen dabei mehrere Mechanismen in Frage: |
Quellen: |
|
» Thermische Quellen: jeder heiße Körper (selbst der Mond) sendet neben Licht auch Radiowellen verschiedenster Wellenlängen aus, diese folgen einer bestimmten, durch physikalische Gesetze vorgegebenen Verteilung. Bestimmte Gase (wie z.B. Wasserstoff) erzeugen dabei sog. „charakteristische Linien“ im Spektrum. |
 Die Sonne ist die stärkste natürliche Radioquelle am Himmel [5]
|
|
» Pulsare: Manche Sonnen bilden nach einem katastrophalen Kollaps (Nova-Explosion) einen sehr kleinen, aber ungeheuer schnell rotierenden Kern aus, der von extrem starken Magnetfeldern begleitet wird. Elektrisch geladene Teilchen, die von der Sternoberfläche ausgehen, werden darin beschleunigt und senden dabei eine besondere Strahlung aus, die wegen ihrer erstmaligen Beobachtung auf der Erde als Synchrotron-Strahlung bezeichnet wird. |
|
|
» Schwarze Löcher: Im Kern vieler Galaxien vermutet man sogenannte „Schwarze Löcher“, deren Anziehungskraft so groß ist, dass noch nicht einmal das Licht ihrem Schwerkraftsog entweichen kann. Stürzt Materie aus den umgebenden Sternen in ein solches Schwarzes Loch, erzeugt sie dabei ebenfalls eine sehr starke Radiostrahlung. |
|
|
» Absorption in Gaswolken: Durchdringt die Radiostrahlung eines Sterns eine interstellare Gaswolke, so absorbiert diese bestimmte Wellenlängen besonders gut. Die Analyse solcher Absorptionsspektren erlaubt Rückschlüsse auf die Zusammensetzung dieser Gaswolken oder sogar der Atmosphäre extraterrestrischer Planeten. |
|
|
» Frequenzverschiebung durch Bewegung: Ähnlich wie bei einem Krankenwagen, dessen Sirene höher klingt, wenn er sich auf jemanden zu bewegt, und tiefer, wenn er sich entfernt, ändern sich auch bestimmte Wellenlängen, wenn der beobachtete Himmelskörper sich bewegt. Auf diese Weise kann man z.B. die Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien messen. Bei weit entfernten Objekten kommen außerdem relativistische Effekte zum Tragen, da diese sich mit sehr hohen Geschwindigkeiten von uns entfernen und daher aus unserer Sicht der Zeitdilatation unterworfen sind. |
|
|
|
| Radioastronomische Forschung |
|
Alle diese Untersuchungen sollen dabei helfen, unser Verständnis von der Entstehung des Weltalls und der Sterne zu verbessern. Da wir aber, anders als bei anderen physikalischen Forschungsgebieten, nicht zu den Forschungsobjekten hinreisen können, sind wir darauf angewiesen, aus der von ihnen zu uns gelangenden Strahlung Rückschlüsse zu ziehen. So kann man z.B. Aussagen über das Magnetfeld, die Temperatur, die Zusammensetzung von Gaswolken, über Bewegungen und sogar die Masse von Objekten treffen. Da Radiowellen innerhalb des Radiofensters auch für kommerzielle Zwecke, z.B. Mobilfunk, Satellitenfernsehen, Navigation, Radar, Richtfunk usw. genutzt werden, ist es für die Radioastronomie sehr schwierig, die im Vergleich dazu extrem schwachen interstellaren Signale zu messen. Internationale Vereinbarungen sorgen deshalb z.B. dafür, dass bestimmte Wellenlängenbereiche nicht kommerziell genutzt werden dürfen, um solche Messungen nicht völlig unmöglich zu machen. |
 Rasteraufnahme des südlichen Himmels mit einer 80-cm-Antenne bei einer Frequenz von 10 GHz - deutlich erkennt man die geostationären Satelliten |
|
Quellenangaben:
|
|
|