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Radioteleskop

Astronomen benutzen Radioteleskope, um die Radiostrahlung weit entfernter Himmelsobjekte zu untersuchen und Karten von den zahllosen natürlichen Radioquellen im Universum zu erstellen. Die meisten Radioteleskope sind erdbasiert, doch die neueste Generation dieser Instrumente führt Beobachtungen aus dem Weltraum durch. Vielleicht kann man eines Tages sogar ein Radioteleskop auf der erdabgewandten Seite des Mondes aufstellen – dort gäbe es keinerlei Störungen mehr durch irdische Radiosignale.

Wellensuche

Quasare, Pulsare, Schwarze Löcher und selbst das schwache Echo des Urknalls wurden von Radioteleskopen entdeckt. Radiowellen sind eine Erscheinung der elektromagnetischen Strahlung – ähnlich wie das sichtbare Licht, aber mit viel längeren Wellenlängen. Während man das Licht von Himmelsobjekten bereits mit wenigen Meter großen Teleskopen untersuchen kann, lässt sich die langwellige Radiostrahlung nur mit Teleskopen auffangen, deren Durchmesser mindestens zehnmal so groß ist. Die beiden Hauptkomponenten eines Radioteleskops sind die Antenne und der Strahlungsempfänger. Die Antenne fängt die ankommenden Radiowellen auf, ähnlich wie die Linse oder der Primärspiegel in einem optischen Teleskop die ankommenden Lichtstrahlen.

Die einfachsten Antennen sehen aus wie TV-Satellitenschüsseln, andere haben die Form eines Metallhorns, sodass die Radiowellen wie durch einen Megafontrichter zum Empfänger gelangen. Der häufigste Antennentyp ist eine Parabolschüssel, die die Radiowellen aufnimmt und zum Brennpunkt leitet. Dort befindet sich eine zweite Antenne, meist eine Trichterantenne, von der aus das fokussierte Signal dem Empfänger zugeführt wird.

Wie ein Radiogerät kann dieser Empfänger auf bestimmte Wellenlängen eingestellt werden. Der Empfänger verstärkt die Signale auf ein wahrnehmbares Niveau und leitet sie anschließend an ein Aufzeichnungsgerät weiter – ein Computer oder ein Magnetbandgerät.

Rauschunterdrückung

Das größte Problem in der Radioastronomie ist das Herausfiltern des tönenden Hintergrundrauschens, der zufälligen Signale aus dem Weltraum sowie des elektrischen Rauschens aus den Schaltungen des Teleskopempfängers. Zur Reduzierung haben einige Radioteleskope computergesteuerte Montierungen, die es ermöglichen, eine Radioquelle am Himmel zu verfolgen und dabei die Erdrotation zu kompensieren. So lässt sich eine Radioquelle beobachten und ein schärferer Kontrast zum Hintergrundsummen herausarbeiten. Solche long-integration-time-Beobachtungen ziehen sich oft über Stunden hin. Mit der Computeraufbereitung lässt sich die Empfindlichkeit eines Teleskops ebenfalls steigern. Moderne Signalverarbeitungssoftware ermöglicht das Aufsummieren kaum wahrnehmbarer Signale und somit die Ortung astronomischer Radioquellen, die bis zu einer Million Mal schwächer sind als der Hintergrund.

Der Bau eines großen Radioteleskops ist schwierig. Böen können die Parabolantennen stark belasten, Eigengewicht und Temperaturschwankungen Verformungen hervorrufen, die es zu kompensieren gilt. Zudem steht und fällt die Leistung mit der Qualität der Antenne. Bester Empfang ist nur möglich, wenn deren Oberfläche extrem glatt ist und keine Mängel hat, die größer sind als der Bruchteil einer Radiowellenlänge.

Perspektiven

Die modernsten Radioteleskope umkreisen die Erde im freien Weltraum. Sie gehören zu Gruppen aus mehreren Einzelteleskopen, so genannten Interferenzsystemen, die zusammen ein viel höheres Auflösungsvermögen als eine Einzelantenne haben. Bald werden solche Radiointerferometer selbst die leisesten und entferntesten Radioquellen ausfindig machen.

Wenn man die Beobachtungsdaten mehrerer kleinerer Antennen der Elemente einer Interferometeranordnung zusammenschaltet, fungieren alle zusammen wie ein gigantisches Einzelteleskop. Die Fläche dieser virtuellen Antenne bestimmt die empfangene Strahlungsleistung und ist nicht größer als die einzelnen Reaktorflächen zusammen. Der effektive Antennendurchmesser bzw. die Basislänge, die das Auflösungsvermögen bestimmt, kann aber enorm groß sein. Die Basislänge entspricht der Entfernung zwischen den am weitesten voneinander entfernten Elementen der Anordnung.

Mit Hilfe der Very Long Baseline Interferometry oder VLBI wurden bereits einige eindrucksvolle Basislängen realisiert. Hierzu werden überall auf der Erde verteilte Radioteleskope miteinander gekoppelt. Deren effektiver Antennendurchmesser entspricht dem Erddurchmesser, also 12.800 Kilometern. 1997 wurde der japanische Satellit HALCA, ein knapp zehn Meter großes Radioteleskop, in eine Erdumlaufbahn befördert und mit Radioteleskopen auf der Erde zusammengeschaltet, was die Basislänge von 32.000 Kilometern ergab.

Ein Radiointerferometer, bei dem ein oder mehrere Elemente im All stationiert sind, nennt man Weltraum-VLBI. Inzwischen gibt es Anordnungen dieser Art mit bis zu 96.000 Kilometer Basislänge. Mit einem Radioteleskop auf dem Mond ließen sich sogar noch längere Basislängen erzielen. Die erdabgewandte Mondseite wäre nach Ansicht von Bill Scott von der University of Calgary in Kanada ein idealer Standort für ein Radioteleskop. Dort ist die Oberfläche stabil und es gibt keine externen Radiointerferenzen und keine Atmosphäre, die die Signale verzerren könnte.

Einige Wissenschaftler meinen, dass eine noch größere Basislänge keine weiteren Radioquellen mehr erfassen würde und es keinen Sinn mache, Antennen auf einem anderen Planeten zu stationieren. Shaler, VLBI-Experte am Goddard Space Flight Center der NASA meint, dass eine Antenne auf dem Mond, die mit erdbasierten und erdumlaufenden Antennen zusammengeschaltet ist, vermutlich die benötigte Größe hat.