Zehntausend Antennen für die Astronomie

Doch die abgelegenen Standorte sind nur die Voraussetzung. Das eigentliche Teleskop entsteht erst aus dem Zusammenspiel Tausender Antennen.

Präzision im großen Maßstab

Die Antennen stehen in regelmäßigem Muster über weite Flächen verteilt. Elektronisch zusammengeschaltet, funktionieren sie wie ein einziges Instrument. Seine effektive Größe entspricht der größten Entfernung zwischen zwei Antennen. Dieses Verfahren wird in der Radioastronomie Apertursynthese genannt. Es ist eine spezielle Form der Interferometrie.

Im SKA entstehen auf diese Weise zwei riesige Teleskope. Beide arbeiten nach dem gleichen technischen Prinzip, beobachten jedoch unterschiedliche Frequenzbereiche des Radiospektrums. In Australien formen zehntausende einfache Dipolantennen das SKA-Low für niedrige Frequenzen. Nach höheren Frequenzen lauscht ein Feld aus großen Parabolantennen in Südafrika, das SKA-Mid.

Damit das funktioniert, müssen die Signale aller Antennen mit höchster Präzision synchronisiert werden. Schon winzige Zeitfehler würden die Messungen verfälschen. Deshalb erhält jede Antenne ein hochpräzises Zeitsignal. Dieses stabil zu halten, ist alles andere als trivial.

„Die Zeitsignale laufen über Glasfaserkabel, die an Strommasten hängen“, sagt Andreas Wicenec. „Wenn der Wind daran rüttelt, verändert sich die Länge der Faser minimal und damit auch das Timing.“ Solche Effekte mögen winzig erscheinen, doch bei den geforderten Genauigkeiten spielen sie eine entscheidende Rolle. Selbst Temperaturschwankungen oder mechanische Spannungen können messbare Verzögerungen verursachen. „Das müssen wir mit unseren Algorithmen stabilisieren“, sagt der Datenwissenschaftler. Denn die Glasfasernetze unterirdisch zu verlegen, kommt nicht infrage. „Das wäre zwar stabiler, aber schlicht zu teuer.“

Abgeschiedenheit hat also ihren Preis, und das nicht nur im technischen Sinn. Auch der Aufbau der Anlagen ist aufgrund der entlegenen Orte eine große logistische Herausforderung.

Astronomie aus der Fabrikhalle

Wenn zehntausende Antennen fernab vertrauter Infrastruktur entstehen sollen, dann gleicht dies einem umfangreichen Industrieprojekt: Die Elemente müssen in großer Zahl produziert, über weite Strecken transportiert und vor Ort möglichst effizient montiert werden. „Es ist fast wie bei IKEA“, sagt Andreas Wicenec. „Man muss die Antennen so verpacken, dass möglichst viele in einen Container passen und sie sich vor Ort schnell zusammenbauen lassen.“

Je nach Standort unterscheiden sich die Konstruktionen. In Australien kommen zehntausende einfache Dipolantennen zum Einsatz. Mit ihren vielen Streben erinnern sie an Weihnachtsbäume aus Metall, die zwei Meter aus dem Boden ragen. Sie sind zu größeren Gruppen zusammengefasst, deren Signale zunächst lokal gebündelt werden.

In Südafrika entsteht dagegen ein Feld aus großen Parabolschüsseln. Sie werden auf massive Stahlbetonplattformen gesetzt und lassen sich auf unterschiedliche Bereiche des Himmels ausrichten.

Für beide Anlagen gelten ähnliche Anforderungen: Die Komponenten müssen robust, wartungsarm und möglichst standardisiert sein. Denn die Antennen stehen in Regionen mit extremen Umweltbedingungen. Hitze, Staub, Gewitter oder neugierige Tiere können Kabel beschädigen oder elektronische Komponenten beeinträchtigen. Wartungsarbeiten müssen deshalb so geplant werden, dass sie sich auch in abgelegenen Wüstenregionen zuverlässig ausführen lassen.

Eine Datenmaschine für die Welt

Sobald die Antennen Signale empfangen, wird ein enormer Datenstrom entfesselt. Tausende Empfangselemente liefern kontinuierlich Messwerte, die in Echtzeit zusammengeführt und verarbeitet werden müssen. „Die Datenmenge, die am Ende entsteht, ist die eigentliche Herausforderung“, sagt Andreas Wicenec: „Etwa ein halbes Terabyte pro Sekunde. Eine normale Festplatte wäre damit nach zwei Sekunden voll.“

Die Rohdaten werden deshalb bereits während der Beobachtung stark reduziert. Zunächst werden die empfangenen Signale in sehr viele schmale Frequenzkanäle zerlegt. Diese hohe Auflösung hilft, Störungen durch Satelliten, Funkgeräte oder andere Quellen zu erkennen. Spezielle Rechner kombinieren dann die Antennensignale, filtern Störungen heraus und berechnen aus dem Rest die wissenschaftlichen Messdaten.

Ein Teil der Verarbeitung erfolgt direkt an den Observatorien. Dort dampfen spezielle Rechner die Datenströme ein, bevor sie über Hochgeschwindigkeitsnetze an internationale Rechenzentren weitergeleitet werden. Nichtsdestotrotz bleiben Datenmengen übrig, die selbst für moderne Observatorien außergewöhnlich sind.

Einige Forschungsgruppen experimentieren deshalb mit Methoden des maschinellen Lernens, um Datenstörungen automatisch zu erkennen. Solche Verfahren könnten helfen, Radiosignale von Satelliten oder technischen Quellen schneller zu entfernen. Die Analyse erfolgt deshalb in großen Rechenzentren, die über schnelle Netzwerke miteinander verbunden sind. Für viele Wissenschaftler beginnt die eigentliche Arbeit nun nicht mehr an der Antenne, sondern erst in den Rechenzentren. Anstatt die Daten auf ihre eigenen Rechner herunterzuladen, bringen sie ihre Analyseprogramme dorthin.

In Deutschland entsteht momentan ein solches regionales Datenzentrum. Dort sollen nicht nur astronomische Messdaten analysiert werden. Es werden auch neue Methoden entwickelt, um mit den gewaltigen Datenmengen umzugehen. Ziel ist eine globale Dateninfrastruktur, in der Algorithmen, automatisierte Analyseverfahren und schnelle Netzwerke ebenso wichtig sind wie die Antennen selbst.

Ein Observatorium als globales System

Das Square Kilometre Array vereint Technologien, die bisher selten in einem einzigen Forschungsprojekt zusammenkamen. Tausende Antennen, kilometerlange Glasfasernetze, Hochleistungsrechner und internationale Forschungseinrichtungen arbeiten gemeinsam, koordiniert von der internationalen SKA Observatory Organisation. Ihr Hauptquartier befindet sich im britischen Jodrell Bank Observatory. Von dort aus werden Bau, Betrieb und wissenschaftliche Nutzung der Anlage mit den Partnerländern organisiert.

Auch deutsche Institute wirken mit. Forscher am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn sind an der Entwicklung von Empfängern und Antennentechnik beteiligt. Nach einem zwischenzeitlichen Ausstieg ist Deutschland nun wieder Mitglied der internationalen SKA-Organisation. Ein Teil des finanziellen Beitrags wird derzeit von der Max-Planck-Gesellschaft getragen.

Wenn das Square Kilometre Array in den kommenden Jahren seinen Betrieb aufnimmt, wird es deshalb nicht nur neue Einblicke in das Universum liefern. Es wird die Art verändern, wie astronomische Observatorien betrieben werden. Und es wird zeigen, wie sich eine wissenschaftliche Infrastruktur im Zeitalter extremer Datenmengen organisieren lässt – als globales System aus Technik, Software und internationaler Kooperation. ■