Ein tiefer Blick ins Universum

?Es ist ein aufregendes Projekt?, erkl?rt Alexandre Refregier, Professor f¨¹r Physik an der ETH Z¨¹rich, wenn er die futuristisch anmutende Visualisierung aus S¨¹dafrika betrachtet. Mitten in der Karoo Halbw¨¹ste, weit fernab von gr?sseren Siedlungen, zeigt das Bild ein Feld mit ¨¹ber 1000 Parabolspiegeln, die in Reih und Glied auf den gleichen Punkt ausgerichtet sind. Dabei handelt es sich nicht um ein Solarkraftwerk, wie man zun?chst denken k?nnte, sondern um ein grosses Radioteleskop, das den Kosmologinnen und Kosmologen in den n?chsten Jahren neue Einsichten ¨¹ber die Struktur und die Geschichte unseres Universums liefern soll.

Wasserstoff als Schl¨¹sselelement

Mit dem Hirax-Projekt ¨C das Akronym steht f¨¹r ?Hydrogen Intensity and Real-time Analysis Experiment? ¨C ?ffnet sich ein neues Kapitel bei der Erkundung des Weltalls. Das neue Grossteleskop wird Radiosignale im Frequenzbereich von 400 bis 800 MHz aufzeichnen. Anhand dieser Signale wird es m?glich sein, die Verteilung von Wasserstoff im Universum grossr?umig zu vermessen. ?Wenn wir anhand des Wasserstoffs, dem h?ufigsten Element im Universum, erfahren, wie die Materie im Weltall verteilt ist, k?nnen wir daraus R¨¹ckschl¨¹sse ziehen, aus was die Dunkle Materie und die Dunkle Energie bestehen?, erkl?rt Refregier.

Bei der Dunklen Energie und der Dunklen Materie handelt es sich um zwei mysteri?se Komponenten, welche den weitaus gr?ssten Teil des Universums ausmachen.  Diese spielen eine dominante Rolle bei der Bildung von Strukturen und der beschleunigten Ausdehnung des Universums. Aus was genau diese beiden Komponenten bestehen, dar¨¹ber r?tselt die Fachwelt allerdings noch immer. Hirax soll nun helfen, die Natur dieser beiden Komponenten genauer einzugrenzen. Gleichzeitig hoffen die Forschenden, dass sie mit der neuen Anlage auch Erkenntnisse ¨¹ber blitzartige Radiosignale und Pulsare erhalten werden.

Hunderte Einzelsignale verbinden

Refregier wird sich mit seiner Gruppe aber nicht nur an der wissenschaftlichen Auswertung der Daten beteiligen, sondern er engagiert sich mit seinem Postdoc Devin Crichton und dem Ingenieur Thierry Viant auch an der Entwicklung der neuen Anlage. ?Hirax ist nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht ein bemerkenswertes Vorhaben, sondern es ist auch eine grosse technologische Herausforderung?, erkl?rt er. Die ETH-Forschenden entwickeln in ihrem Teilprojekt zusammen mit Wissenschaftlern der Universit?t Genf einen sogenannten digitalen Korrelator, der die Signale der einzelnen rund 6 Meter grossen Teleskope miteinander verbindet. ?Die Hirax-Anlage besteht nicht aus einem einzelnen grossen Teleskop, sondern aus zahlreichen kleineren Radioteleskopen, die miteinander korreliert werden?, erl?utert Refregier. ?Dies erm?glicht es uns, ein Teleskop zu bauen, das eine viel h?here Sammelfl?che und Aufl?sung hat als ein Messger?t mit nur einem Parabolspiegel.?

Testl?ufe in der Schweiz

Die Technik des digitalen Korrektors haben die Physikerinnen und Physiker zun?chst hier in der Schweiz mit einer Pilotanlage erprobt. Sie nutzen dazu die beiden historischen Radioteleskope am Standort Bleien im Kanton Aargau. Basierend darauf werden sie nun einen digitalen Korrektor entwickeln, der 256 Spiegel miteinander verbinden kann. ?Das Hirax-Teleskop wird schrittweise ausgebaut, so dass wir die Technik nach und nach weiterentwickeln k?nnen?, h?lt Refregier fest. Die notwendige Finanzierung f¨¹r dieses Teilprojekt wurde vor kurzem sichergestellt.

F¨¹r den digitalen Korrelator verwenden die ETH-Physiker leistungsf?hige Grafikprozessoren, die urspr¨¹nglich f¨¹r Video- und Spielanwendungen entwickelt wurden. Auch bei der Kalibration gehen die Forschenden neue Wege: Um die Messsignale der einzelnen Antennen zu synchronisieren, nutzen sie ein Radiosignal, das von einer Drohne ausgesendet ist. Deren Position muss sehr genau bestimmt werden, damit das Teleskop sp?ter mit der geforderten Pr?zision arbeiten kann.

Ein idealer Standort

Dass das Hirax-Teleskop in der Karoo Halbw¨¹ste gebaut wird, ist kein Zufall. Es handelt sich um einen gesch¨¹tzten Ort, an dem es noch wenig St?rsignale von Mobilfunkantennen gibt. ?Es ist paradox?, meint Refregier: ?Auf der einen Seite profitieren wir bei der Entwicklung des Teleskops sehr stark von der Mobilfunk-Technologie. Auf der anderen Seite macht Radioastronomen genau diese Technologie das Leben schwer, weil Mobilfunkantennen in ?hnlichen Frequenzbereichen senden.?

Ideal ist der Standort im Karoo auch, weil dort ein Teil des geplanten ?Square Kilometre Array? zu stehen kommen wird. Das dereinst gr?sste Radioteleskop verbindet Anlagen in S¨¹dafrika und Australien und wird der Radioastronomie nochmals einen grossen Schub verleihen. ?Im Karoo haben wir also einen Standort, der trotz der abgelegenen Position mit Strom- und Datenleitungen gut erschlossen ist?, erkl?rt Refregier. Tats?chlich ist das Vorhaben auch in dieser Hinsicht eine Herausforderung, wird das neue Teleskop doch pro Sekunde eine Datenmenge von 6,5 Terabyte generieren. ?Wir werden den digitalen Korrektor deshalb direkt vor Ort installieren, damit die Datenmenge in einem ersten Schritt reduziert werden kann, bevor sie dann andernorts weiterverarbeitet wird?, meint der Refregier.

T¨¹r?ffner f¨¹r das n?chste Grossprojekt

Nicht zuletzt ist das Hirax-Projekt, an dem sich auch zahlreiche andere Hochschulen aus verschiedenen L?ndern beteiligen, aus forschungspolitischen Gr¨¹nden von Bedeutung. Zum einen st?rkt es die Zusammenarbeit zwischen der Schweiz und S¨¹dafrika und erm?glicht jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von dort, hier in der Schweiz zu forschen. Zum anderen sind die Entwicklungsarbeiten f¨¹r das Hirax-Projekt ein willkommener T¨¹r?ffner f¨¹r eine Schweizer Beteiligung am Square Kilometre Array, erkl?rt Refregier: ?Damit k?nnen wir dazu beitragen, dass die Schweizer Hochschulen auch bei diesem zukunftsweisenden Projekt mit von der Partie sind und damit mit der Entwicklung in der Radioastronomie mithalten k?nnen.?