Radioastronomie an der Sternwarte Burgsolms
von Alfred Schmidt
In unseren Breitengraden behindert schlechtes Wetter oft die Beobachtung des Sternenhimmels mit Teleskopen. Bei der Radioastronomie ist das anders. Hier kann man unabhängig vom Wetter, der Tageszeit oder des Standortes den ganzen Tag über „beobachten“ und Messungen durchführen. Darum beschäftigen wir uns jetzt an der Sternwarte Burgsolms intensiver mit der Radioastronomie und dem Bau einer Empfangsstation. Dazu braucht man nicht unbedingt riesige Empfangsantennen mit 50 oder 100m Durchmesser. Die Weiterentwicklung bei elektronischen Bauteilen hat dazu geführt, daß man schon mit relativ einfachen Mitteln und wenig Aufwand empfindliche Beobachtungsstationen aufbauen kann. Diese günstigen Bedingungen führten dazu, den Entwurf und den Aufbau einer Empfangsstation für Radioastronomie an der Sternwarte in Angriff zu nehmen. Um dies durchzuführen, benötigt man natürlich einiges an Grundwissen über die Grundlagen der Radioastronomie und der Empfangstechnik.
Grundlagen
In der optischen Astronomie, also der Beobachtung mit Teleskopen, werden elektromagnetische Wellen in dem für Menschenaugen sichtbaren Wellenlängenbereich – dem Licht – empfangen. Wir sehen nachts die Sterne im sichtbaren Licht, aber für die Informationen in den anderen Wellenlängenbereichen haben wir keine Sinneszellen und benötigen die Hilfe der Technik, um diese Signale messen und
Bild 1: Das Frequenzband und das „Radiofenster“
Quelle: Uni Bonn - Argelander-Institut für Radioastronomie
aufzeichnen zu können. Die Graphik zeigt, daß es in der Atmosphäre ein „Optisches Fenster“ und ein „Radiofenster“ gibt, das heißt, daß die Atmosphäre für ganz bestimmte Wellenlängenbereiche durchlässig ist. Für die anderen Bereiche wirkt sie wie ein Filter und sperrt auch die schädliche Strahlung aus dem All. Im Optischen Fenster beobachtet man mit Teleskopen und im Radiofenster im Wellenlängen-bereich von10m bis ca. 1cm – also bei Radiofrequenzen - mit speziellen Empfangsanlagen. Da die Signale der „Radioquellen“ (Objekte, die Strahlung im Radiofenster aussenden) aus dem Weltall aber sehr schwach sind, benötigt man ziemlich große Antennen und dazu empfindliche Empfänger und leistungsfähige Verstärker, um die schwachen Signale überhaupt meßbar zu machen.
Um Fehlmessungen in den für die Wissenschaft wichtigen Bereichen zu vermeiden, sind einige Frequenzbereiche geschützt. Hier darf also kein Rundfunk- oder Fernsehsender arbeiten. Eine solche Frequenz ist zum Beispiel 1,42 GHz (Gigahertz = 109 Schwingungen pro Sekunde). In diesem Bereich liegt die natürliche Strahlung des neutralen Wasserstoffs (H), der das häufigste Element im Universum ist. Mit Hilfe von radioastronomischen Messungen der 1,42 GHz-Strahlungsintensität wurde z.B. die Struktur unserer Milchstraße gefunden und die Geschwindigkeit bestimmt, mit der sich unsere Galaxie bewegt. Man kann auch exakt messen, wie schnell sich Fixsterne, interstellare Nebel oder auch andere Galaxien auf uns zu oder von uns weg bewegen. Mit der Radioastronomie kann man viel weiter ins Weltall hinausschauen, da man durch Gas- und Staubwolken hindurchsehen kann. Die Erforschung des galaktischen Zentrums wird deshalb nur mit Hilfe der Radioastronomie möglich.
Solche Messungen kann man natürlich nur mit den großen Radioteleskopen durchführen. Anlagen mit entsprechender Größe stehen mittlerweile überall in der Welt und beobachten den Himmel Tag und Nacht. Das derzeit größte frei bewegliche Radioteleskop der Welt steht in Effelsberg in der Eifel (Deutschland) und hat einen Durchmesser von 100m. Das Gerät ist riesig groß und hat ein Gewicht von 3200 Tonnen.
Bild 2: Radio-Teleskop Effelsberg/Deutschland, Durchmesser 100m
Foto: Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bad Münstereifel-Effelsberg
Es gibt auch eine Technik, mit der mehrere Radioteleskope zu Netzwerken, praktisch einem großen Teleskop, zusammengeschaltet werden können. So kann man die Empfindlichkeit und vor allen Dingen die Winkelauflösung erheblich steigern, das heißt, man kann die Objekte mit höherer Genauigkeit darstellen. Wenn zwei Radioteleskope in einem Abstand von 5 km voneinander stehen, ersetzen diese bei der Auflösung theoretisch einen Spiegel mit einem Durchmesser, der dem Abstand der Einzelspiegel entspricht.
Eine einfache Empfangsanlage
Der Fernsehempfang über Satelliten erfolgt im Frequenzbereich von ca. 10 – 12 GHz. Für diese Frequenzen gibt es also preisgünstige Geräte. Da in diesem Bereich einige Objekte wie Sonne, Mond, Jupiter usw. „Radiostrahlung“ aussenden, kann man mit einfachen Mitteln eine Station für Radioastronomie aufbauen. Man benötigt dazu einen möglichst großen Spiegel (auch Schüssel genannt), einen LNC (der Kopf an der Schüssel), einen guten SAT-Finder und ein Meßgerät – und dazu etwas Bastelgeschick und viel Geduld. Den SAT-Finder muß man modifizieren, damit man das empfangene Signal auch messen und aufzeichnen kann.
Spiegel mit LNC Umgebauter SAT-Finder Netzgerät Meßgerät
Bild 4: Einfache Station für den Empfang von Radiosignalen
Der Spiegel (oder Schüssel) ist vom Satelliten-Fernsehen allgemein bekannt und hängt an fast jedem Haus. Hiermit werden die empfangenen Signale gebündelt und auf den LNC im Brennpunkt gerichtet. Der LNC (Low Noise Converter) ist das eigentliche elektronische Empfangselement. Im LNC werden die Signale von ca. 11 GHz auf 1,2 GHz umgesetzt und verstärkt. Das ist notwendig, um eine verlustarme Übertragung der Signale zum SAT-Finder zu ermöglichen, in dem diese dann gleichgerichtet (demoduliert) und nochmals verstärkt werden. Je stärker also die ankommenden Signale sind, umso größer ist auch die im angeschlossenen Meßgerät angezeigte Spannung. Damit alles funktionieren kann, müssen die Geräte vom Netzgerät noch mit einer Spannung von 13V versorgt werden. Das geschieht dadurch, daß man es an die Ausgangsbuchse des SAT-Finders anschließt und auf 13 V einstellt. Da die Ausgangsbuchse des SAT-Finders eine F-Buchse ist, muß man einen Adapter mit Koax-Kabel anfertigen. Der Pluspol des Netzgerätes wird an den Mittelleiter des Kabels, der Minuspol an den Schirm angeschlossen. Die Besonderheit dieser Empfangsanlage liegt darin, daß man im SAT-Finder zusätzlich zwei Drähte an den Anschlüssen des eingebauten Meßgerätes anlöten muß. Die so abgegriffene Meßspannung wird über Anschlußkabel zum Meßgerät geführt.
Messung von Radiosignalen
In großen Radioteleskopen sind viele spezielle Geräte eingebaut. Hierzu zählen sehr rauscharme und gekühlte Vorverstärker, Empfänger, Filter, Auswertungsgeräte, eine Computersteuerung und -positionierung. Das alles ist notwendig, um die äußerst schwachen Signale zu empfangen, zu verstärken, aus dem Rauschen herauszufiltern und auszuwerten. Um das Rauschen der elektronischen Bauteile so gering wie möglich zu halten, werden einige Geräte bis auf -260°C abgekühlt.
Bei der Messung von Radiosignalen wertet man die Signalstärken auf unter-schiedlichen Frequenzen aus. Je größer die Signalstärke z.B bei 1,42 GHz ist, umso mehr Wasserstoff ist vorhanden. Um aber die Geschwindigkeiten von Objekten bestimmen zu können, wird die Verschiebung der Frequenz der „Wasserstofflinie“ bei 1,42 GHz, einer natürlichen Frequenz mit hoher Genauigkeit, mittels des Dopplereffektes (Erklärung im Lexikon) ausgemessen. Bei der Auswertung von solchen Signalen hat man neben der Struktur der Milchstraße auch die Existenz von Pulsaren entdeckt. Das sind Sterne, die sich sehr schnell (z.B. 60 mal pro Sekunde!) um die eigene Achse drehen und dabei ganz besondere Signale aussenden. Ein Blick bis an die Grenze des Universums ist nur mit Radiosignalen möglich, da viele Gas- und Staubwolken den Blick mit Teleskopen versperren. Auch der Blick in das Zentrum unserer Milchstraße ist deshalb nur mit Radioteleskopen möglich. So ist auch die „Kosmische Hintergrundstrahlung“, die der Wissenschaft als Nachweis des Urknalles dient, mit einem Radioteleskop entdeckt worden. Alle diese Messungen sind sehr schwierig durchzuführen und zeitraubend, da die schwachen nutzbaren Signale aus dem Rauschen herausgefiltert und interpretiert werden müssen. Man hört dabei keine Töne wie beim Radio, sondern das Signal versteckt sich hinter all den Störsignalen, die ebenfalls aus dem All kommen und muß mit hohem technischem Aufwand meßbar gemacht werden. Wie schwach die Signale aus dem All wirklich sind, soll ein Beispiel zeigen: Ließe ein unachtsamer Mondbesucher sein eingeschaltetes Handy dort oben liegen, wären dessen Signale die stärkste Strahlungsquelle aus dem All, die man empfangen würde. Das Handy wäre mit der großen Station in Effelsberg sogar noch bis zum halben Weg zur Sonne nachzuweisen. Bei Messungen mit der oben beschriebenen einfachen Empfangsanlage benötigt man stärkere Signale und kann zu einem ersten Test den Spiegel zunächst einmal Richtung Süden auf den Fernsehsatelliten ASTRA richten. Bei ordnungsgemäßem Aufbau und einwandfreier Funktion wird der SAT-Finder durch die Beachtung der Veränderungen des Signaltones genau ausgerichtet. Evtl. muß man zur genauen Einstellung Korrekturen am Drehknopf (Nullpunkt) des SAT-Finders vornehmen. Danach wird das angeschlossene Meßgerät je nach Spiegelgröße ein Signal zwischen 4 – 7 Volt anzeigen und es ist die Bestätigung, daß die Anlage gut arbeitet. Durch eine Einstellung des Spiegels auf max. Meßssignal kann eine sehr genaue Ausrichtung erfolgen. Zur Messung der Signalstärke der Sonne wird man einen sonnigen Tag auswählen. Der Spiegel ist fest montiert, sinnvoll in Richtung Süd-Südwest eingestellt (hier stören keine Fernseh-Satelliten) und wird beim Vorbeigang der Sonne durch Kippen höhenmäßig darauf ausgerichtet. Da die Signale der Sonne mit etwa 0,3 bis 0,7 Volt sehr schwach sind, ist ein sehr präzises Ausrichten notwendig. Am nächsten Tag kann man dann den Vorbeigang der Sonne vor dem Spiegel am Meßgerät beobachten. Das Signal steigt langsam an, erreicht ein Maximum und fällt mit dem Verschwinden der Sonne aus dem Empfangsbereich wieder ab. Ist die Sonne ruhig, erhält man ein gleichmäßiges Signal. Bei Ausbrüchen auf der Sonne sind während der Beobachtung mehr oder weniger starke Schwankungen der Signalstärke festzustellen. <!--[if !vml]-->
Bild 5: Aufzeichnung eines Sonnendurchganges bei ruhiger Sonne mit der
Empfangsanlage nach Bild 4, aufgezeichnet mit einem angeschlossenen
Digitalvoltmeter mit Schnittstelle zu einem Laptop
Die Empfangsanlage der Sternwarte Burgsolms
All diese Überlegungen haben dazu geführt, die einfache Empfangsanlage für radioastronomische Signale zu erweitern und dann an der Sternwarte zu installieren. Insbesondere sollen dabei eine höhere Empfindlichkeit, bessere Steuerbarkeit und Reproduzierbarkeit der Position erreicht werden. Weiterhin wird Wert auf eine gute Bearbeitung (Signalprozessor) und Aufzeichnung der Signale gelegt. Es ist auch vorgesehen, daß ein bestimmter vorgewählter Bereich des Himmels gescannt werden kann. Das hat zur Folge, daß der Einsatz von Computern erforderlich ist. Das Bild zeigt das Konzept der Empfangsanlage.
Bild 6: Konzept der Station für Radioastronomie an der Sternwarte Burgsolms
Der Spiegel mit einem Durchmesser von 1,6m, ausgerüstet mit einem sehr empfindlichen und extrem rauscharmen LNC (1), ist während der Erprobungsphase noch für den Bereich 10–12 GHz ausgelegt. Der Spiegel ist über lineare Antriebe (2) in horizontaler und vertikaler Richtung schwenkbar. Der Schwenkbereich liegt in beiden Richtungen bei ca. +/- 40°. Die Positionen werden über sehr lineare Potentiometer (3) gemessen und angezeigt. Die Ansteuerung der Antriebe erfolgt über eine Steuerelektronik (4) mit Pulsweitenmodulation. Die Steuerimpulse kommen über die gemeinsame Schnittstelle (5) und werden im Computer erzeugt. Alle Antriebe können von Hand mit vorwählbaren Geschwindigkeiten gesteuert oder automatisch auf die vorgewählte Position gefahren werden. Insgesamt sind 12 unterschiedliche Betriebsarten vorwählbar. Dazu gehören das automatische Anfahren der Parkposition, Handbetrieb, Positionieren, verschiedene Scanfunktionen, On-Off-Betrieb zur automatischen Calibrierung während eines Meßvorganges, usw. Das empfangene Signal einer Radioquelle gelangt vom LNC zum Demodulator mit Vorverstärker (6). Hier wird ein logarithmischer Präzisionsdemodulator eingesetzt, der Signale bis -73dBm, das ist umgerechnet eine Spannung von 1,5 µV (= 1,5 millionstel Volt), noch erkennt. Das demodulierte Signal wird danach über einen umschaltbaren Instrumentenverstärker verstärkt. Von dieser Einheit aus wird der LNC auch mit Spannung versorgt und die Polarisation umgeschaltet. Ein wichtiger Baustein ist die mit viel Elektronik bestückte Signalanpassung (7). In diesem Gerät werden die unterschiedlichen Signale (digitale und analoge) auf die Nennspannung des Interfaces (5) angepaßt, um die volle Auflösung (Genauigkeit) nutzen zu können. Im Interfacebaustein erfolgt dann die Umsetzung auf die für den Computer (8) lesbaren Impulse. Über den Interfacebaustein läuft also die gesamte Kommunikation mit dem Computer. Hierüber werden vom Computer alle Signale wie Meßwerte, Positionen, Steuersignale usw. ein- und ausgelesen. Auf dem Bildschirm stehen somit alle Informationen zur Verfügung, die man für den Betrieb und die Messung benötigt. Zusätzlich ist noch ein Datenschreiber (9) angeschlossen, der das empfangene Signal und die Positionen des Spiegels auf Papier dokumentiert.
Bild 7: Der Bildschirm zur Bedienung der Empfangsstation
Um die Bedienung zu vereinfachen, wurde eine Bildschirmbedienung (Mensch-Maschine-Kommunikation) programmiert, die mit der Maus bedient werden kann. Hierüber können alle Funktionen vorgewählt und alle erforderlichen Einstellungen für die Messungen durchgeführt werden. Neben den Anzeigen der wichtigen Signale ist auch eine Langzeitaufzeichnung der Meßsignale und ein Signalprozessor programmiert. Dieser filtert die sehr schwachen Signale der Radioquellen aus dem Rauschen heraus und macht sie meßbar. Die Empfangsanlage befindet sich noch im Aufbau und wird zurzeit mit einem 80cm-Spiegel betrieben, der für den Testbetrieb an die große Montierung angebaut wurde.
Bild 8: Die Teststation für Radioastronomie der Sternwarte Burgsolms
Auf dem Bild kann man vor dem Spiegel rechts den LNC erkennen. Die Antriebe zum Kippen und Drehen des Spiegels sind angebaut und werden über die angeschlossenen Kabel mit Strom versorgt. Von der Sonne konnten schon sehr interessante Daten aufgezeichnet werden und als nächstes Objekt ist der sehr schwach strahlende Mond vorgesehen. Um die Objekte sicher finden zu können, wurde inzwischen noch eine Kamera an den Spiegel angebaut.
Die Teststation steht zum weiteren Ausbau und zur Optimierung noch in Haiger und wird nach Abschluß der Arbeiten in Burgsolms aufgestellt. Über die technischen Fortschritte und Ergebnisse wird hier weiter berichtet.
Zum Schluß noch einige interessante Links zum Thema Radioastronomie:
http://www.astronomie.de/fachbereiche/radioastronomie/mpifr
http://www.astro.uni-bonn.de
http://www.mpifr-bonn.mpg.de
http://de.wikipedia.org/wiki/radioastronomie
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