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LOFAR for Space Weather

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Mit zwei Augen in den Kosmos schauen: Europas größtes Radioteleskop und seine neue Aufgabe

Menschen nehmen mit zwei Augen mehr Informationen über ihre Umgebung auf als mit nur einem. Aus demselben Grund wird auch beim LOFAR-Teleskop ein Strahlenpaar zum Einsatz kommen, um qualitativ hochwertige Bilder des Kosmos zu erzielen und Weltraumwetterereignisse aufzuspüren.

Weltraum

Der Begriff Weltraumwetter umfasst Phänomene, die auf der Sonne bzw. aufgrund von Sonnenaktivitäten in der Magnetosphäre, der Ionosphäre und der Thermosphäre der Erde zu beobachten sind. Dazu zählen Sonneneruptionen, koronale Massenauswürfe, Sonnenwind und die Emission geladener Teilchen. „Um dem Weltraumwetter zuzuordnende Phänomene zu untersuchen, müssen wir Ereignisse beobachten können, die in verschiedenen Regionen unseres Sonnensystems und in verschiedenen zeitlichen Maßstäben ablaufen“, erklärt Carla Baldovin, Projektleiterin des EU-finanzierten Projekts LOFAR4SW. „Im Idealfall möchten wir alle von der Sonne ausgehenden Ereignisketten verfolgen, wie sie sich in den Weiten des Raums zwischen Erde und Sonne entfalten und wie sie unsere Ionosphäre beeinflussen.“

Vorbereitung des weltgrößten Radioteleskops auf eine neue Aufgabe im All

All diese Prozesse mit einem einzigen Teleskop gleichzeitig zu beobachten, stellt eine echte Herausforderung dar. An dieser Stelle kommt LOFAR4SW ins Spiel. „LOFAR4SW plant eine wichtige Nachrüstung des Niederfrequenz-Radiointerferomters (LOFAR). Neben der Entdeckung von Radiowellen aus astronomischen Radioquellen wird das Teleskop eine neue, parallele Aufgabe übernehmen: Es wird als gleichzeitig die Sonne, die Heliosphäre und die Ionosphäre überwachende Weltraumwetterstation dienen“, berichtet Baldovin. LOFAR ist gegenwärtig das größte Radioteleskop der Welt und besteht aus einem Antennennetzwerk, dessen Kern sich in den Niederlanden befindet und das sich über sieben weitere europäische Länder erstreckt. Mit einem neuartigen phasengesteuerten Design deckt es den weitgehend unerforschten Niederfrequenzbereich von 10 bis 240 MHz ab und kommt in verschiedenen astrophysikalischen Anwendungsfällen zum Einsatz. Im Gegensatz zu Einzelreflektorteleskopen ist LOFAR ein Mehrzweck-Sensornetzwerk mit einer innovativen Computer- und Netzwerkinfrastruktur, die extrem große Datenvolumen verarbeiten kann. „Dank der phasengesteuerten Technologie wird LOFAR zu einem flexiblen Instrument, das die Möglichkeit zur Auslegung eines völlig unabhängigen Systems eröffnet, das parallel zu astronomischen Anwendungsfällen als Weltraumwetterstation unter Nutzung einer verbesserten Version der vorhandenen Hardware fungieren kann“, erklärt Baldovin.

Mit optimierter Antennentechnologie zwei Strahlen erzeugen

Ein fundamentaler Bestandteil der LOFAR4SW-Nachrüstung war die Umgestaltung der High-Band-Antennen des LOFAR. „Durch Modifizierung des analogen Strahlformungssystems ist es uns gelungen, den Prototyp einer High-Band-Antenne zu entwickeln, die zwei Strahlen erzeugt, die in unterschiedliche Richtungen weisen können“, fügt Baldovin hinzu. „Mit der Hardware-Nachrüstung wurde das Ziel verfolgt, die High-Band-Antennen zwei unabhängige Strahlen erzeugen zu lassen, die auf zwei verschiedene Objekte am Himmel gleichzeitig ausgerichtet sind: ein Strahl für die Radioastronomie und der andere für die Weltraumwetterüberwachung. Das klingt so, als würde das Teleskop zwei Augen erhalten, die unabhängig voneinander arbeiten können“, veranschaulicht Baldovin. Ein weiterer grundlegender Aspekt des LOFAR-Teleskops ist, dass es auf Software anstelle von Hardware setzt, um wissenschaftlich verwertbare Daten zu erzeugen. Im Einzelnen bedeutet das, dass das Signal frühzeitig digitalisiert und mit CPU-basierter Software weiterverarbeitet wird. LOFAR4SW hat Software-Prototypen entwickelt, um schnell auf Weltraumwetterereignisse reagierende Überwachungsprogramme durchzuführen und die Daten der verschiedenen Anwendungsfälle zu verarbeiten. Das Projekt wird Routinebeobachtungen der Ionosphäre mittels passiver Radarverfahren leisten können, die ionosphärische Störungen überwachen. Es wird unter Berücksichtigung der interplanetaren Szintillation täglich die Heliosphäre beobachten, um sowohl die Geschwindigkeit als auch die Dichte des Sonnenwindes zu erfassen. Zudem wird die Sonne täglich anhand dynamischer Spektren und hochauflösender Bilder überwacht. Die Nachrüstung des Teleskops ist noch im Gange, aber sobald sie abgeschlossen ist, wird LOFAR eines der besten europäischen Systeme zur Beobachtung des Weltraumwetters sein, das uns neue Erkenntnisse über vielfältige Weltraumwetterereignisse liefern wird.

Schlüsselbegriffe

LOFAR4SW, LOFAR, Weltraumwetter, Ionosphäre, Sonne, High-Band-Antenne, Heliosphäre, Strahlformung

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