Mit LOFAR hat ein europäischer Radioteleskopverbund ein Himmelsbild mit 8 Milliarden Pixeln erstellt, das schwache Strukturen bei niedrigen Radiofrequenzen sichtbar macht. Die Aufnahme trennt die langen Ausströmungen aktiver Galaxienkerne von der schwächeren Radiostrahlung kleiner Galaxien, in denen Sterne entstehen. Damit können Astronomen genauer untersuchen, wie Schwarze Löcher ihre Umgebung beeinflussen und wie Galaxien über kosmische Zeiträume wachsen. Zugleich vereint der dazugehörige Katalog mehrere Bildauflösungen, weshalb seine Gesamtzahl nicht mit den Quellen im schärfsten Einzelbild gleichzusetzen ist.
Unter Leitung der Universität Leiden nutzte ein internationales Team dafür das europäische Low Frequency Array, kurz LOFAR. Erstautor Jurjen de Jong vom Leiden Observatory und ASTRON wertete gemeinsam mit Kollegen Beobachtungen eines gut untersuchten Himmelsfelds aus. Die Ergebnisse liegen als Preprint vor und wurden von der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics zur Veröffentlichung angenommen. Eine Mitteilung der Netherlands Research School for Astronomy beschreibt die wichtigsten Resultate.
Anders als ein optisches Foto erfasst das neue Bild keine sichtbaren Lichtwellen. LOFAR registriert Radiostrahlung, die von weit entfernten Galaxien, ihren zentralen Schwarzen Löchern und Regionen mit aktiver Sternentstehung ausgeht. Erst die rechnerische Verarbeitung der Antennensignale macht daraus eine Karte, in der sich einzelne Strukturen voneinander unterscheiden lassen. Im Paper beschreiben die Autoren sowohl die Bilddaten als auch den daraus zusammengestellten Katalog. Die technische Auswertung und die Katalogmethodik sind im Paper auf arXiv dokumentiert.
Im Zentrum der Auswertung steht ELAIS-N1, ein Feld am nördlichen Himmel mit vielen lichtschwachen und weit entfernten Galaxien. Mit seiner Fläche entspricht das Feld ungefähr dem 25-Fachen der scheinbaren Fläche des Vollmonds. Bereits mit unterschiedlichen Teleskopen untersucht, lässt sich das Feld gut mit Messungen in anderen Wellenlängenbereichen vergleichen. Gerade diese Kombination macht das Feld für die Erforschung der Galaxienentwicklung interessant.
Insgesamt umfasst der kombinierte Katalog 62.916 eindeutige Radioquellen. Diese Zahl entsteht aus Datensätzen mit mehreren Auflösungsstufen: Neben den besonders scharfen LOFAR-Bildern fließen auch Aufnahmen mit gröberer Auflösung ein. Ausgedehnte Quellen können in schärferen Karten in mehrere Bestandteile zerfallen oder wegen ihrer geringen Flächenhelligkeit teilweise verschwinden. Deshalb führen die Autoren die verschiedenen Kataloge zusammen, damit kompakte und ausgedehnte Radiostrukturen gemeinsam erfasst werden.
Abbildung 2 im Paper verbindet eine Übersicht des gesamten Feldes mit vergrößerten Ausschnitten ausgewählter Radiogalaxien. Im Hintergrund liegt eine optische Farbaufnahme des Subaru Hyper Suprime-Cam-Projekts, darüber sind die LOFAR-Radiodaten gelegt. Dadurch wird sichtbar, dass die Radiostrahlung häufig über die optisch auffälligen Bereiche einer Galaxie hinausreicht. Helle Kerne können von weit auseinanderliegenden Emissionsgebieten begleitet werden, die erst in der Radiokarte als zusammengehörige Struktur erkennbar sind.
Besonders deutlich zeigt die Karte aktive galaktische Kerne. Dort fällt Materie auf ein supermassereiches Schwarzes Loch zu und setzt dabei große Energiemengen frei. Unter geeigneten Bedingungen entstehen gebündelte Ausströmungen aus geladenen Teilchen, die sich weit über das Zentrum ihrer Heimatgalaxie hinaus erstrecken. Astronomen bezeichnen diese Strukturen als Radiojets, weil sie besonders deutlich im Radiobereich leuchten.
Bei geringer Bildschärfe erscheinen solche Jets oft als unscharfe Flecken. Dann lässt sich schwer unterscheiden, ob ein heller Bereich aus mehreren Galaxien besteht oder ob eine einzige Galaxie einen ausgedehnten Teilchenstrom aussendet. Mit höherer Auflösung löst die LOFAR-Karte viele dieser Bestandteile klarer auf und macht auch gekrümmte oder verzweigte Strukturen sichtbar. Unser früherer FuW-Bericht über den längsten Radiojet des frühen Universums beschreibt, welche enormen Entfernungen solche Ausströmungen erreichen können.
Zudem verrät die Radiostrahlung, wie die Jets mit dem Gas und anderen Bestandteilen ihrer Umgebung wechselwirken. Reinout van Weeren vom Leiden Observatory betont in der Mitteilung, dass die scharfen Daten neue Untersuchungen dieser Wechselwirkungen über die kosmische Geschichte hinweg ermöglichen. Dabei geht es nicht allein um die Form eines Jets, sondern auch darum, wie er Energie in das Umfeld seiner Galaxie einträgt. Solche Prozesse können beeinflussen, wie Gas abkühlt und unter welchen Bedingungen später neue Sterne entstehen.
Neben den aktiven Galaxienkernen enthält das Feld zahlreiche kleinere Galaxien mit laufender Sternentstehung. Dort senden unter anderem Prozesse in jungen Sternpopulationen Radiostrahlung aus. Staub, der sichtbares Licht und einen Teil der Infrarotstrahlung abschwächt, lässt Radiowellen weitgehend passieren. Deshalb können Radioteleskope Sternentstehungsgebiete erfassen, die optische Aufnahmen nur unvollständig zeigen.
LOFAR funktioniert anders als ein einzelnes großes Spiegelteleskop, weil viele Antennenstationen gemeinsam als ein Interferometer arbeiten. Viele Antennenstationen liefern Signale, die rechnerisch zu einem gemeinsamen Messbild zusammengeführt werden, statt einzeln ausgewertet zu werden. Als Basislinien bezeichnet man die Abstände zwischen den Stationen; je länger sie sind, desto feiner können Astronomen Winkelabstände am Himmel auflösen. Im europäischen Verbund reichen diese Abstände bis zu 1.980 Kilometer.
Für die Beobachtungen von ELAIS-N1 nutzte das Team Frequenzen zwischen 115 und 168 Megahertz. Dieser niedrige Radiobereich eignet sich besonders gut, um ausgedehnte und schwache Emissionen zu untersuchen. Internationale Stationen erweitern das Netz über die Niederlande hinaus und liefern die langen Basislinien, die für die hohe Winkelauflösung entscheidend sind. Gemeinsam tragen die Antennen zu derselben interferometrischen Messung bei, statt jeweils ein eigenes Himmelsbild aufzunehmen.
Bereits oberhalb der Erdoberfläche entsteht eine Schwierigkeit. In der Ionosphäre verändert sich die Ausbreitung der Radiowellen, wodurch die Signale je nach Blickrichtung unterschiedlich verzerrt werden können. Ohne Korrektur würden sich die gemessenen Wellenfronten nicht präzise genug überlagern, sodass das fertige Bild an Schärfe verliert. Mit verbesserter Kalibrierung und Datenverarbeitung glich das Team solche Störungen für die einzelnen Himmelsbereiche möglichst genau aus.
Im Zentrum des Feldes erreicht die höchste Auflösungsstufe 0,33 mal 0,39 Bogensekunden. Über die gesamte Fläche gemittelt liegt sie bei 0,36 mal 0,45 Bogensekunden. Am Himmel entspricht eine Bogensekunde einem sehr kleinen Winkel; der Vollmond nimmt zum Vergleich ungefähr einen halben Grad ein. Als anschaulichen Vergleich nennt die Pressemitteilung eine Münze, die aus etwa zehn Kilometern Entfernung noch unterscheidbar wäre.
Gegenüber dem zuvor empfindlichsten LOFAR-Bild derselben Himmelsregion ist die neue Aufnahme laut den Forschern etwa 20-mal schärfer. Dieser Vergleich beschreibt die Winkelauflösung und bedeutet nicht, dass das gesamte Teleskop pauschal eine entsprechend höhere Empfindlichkeit besitzt. Für punktförmige Quellen erreicht das Bild im Zentrum eine Empfindlichkeit von 5,3 Mikro-Jansky pro Strahl. Über die Fläche gewichtet liegt der Wert bei 7,4 Mikro-Jansky pro Strahl; beide Angaben beschreiben, wie schwache Signale sich noch vom Hintergrund abheben.
Mit der höheren Auflösung entstehen zugleich Grenzen. Sehr ausgedehnte, lichtschwache Radiostrukturen verteilen ihre Energie über viele Bildpunkte und können dadurch in einer besonders scharfen Aufnahme schwerer nachweisbar sein. Auch Zeit- und Bandbreitenschmierung beeinflussen die Messung, vor allem in den äußeren Bereichen des beobachteten Feldes. Im ungünstigsten Bereich können die gemessenen Spitzenhelligkeiten bei der höchsten Auflösung dadurch um bis zu 80 Prozent unter ihrem eigentlichen Wert liegen.
Bei der Auswertung berücksichtigen die Autoren diese Effekte und veröffentlichen zusätzlich Rohfassungen der automatisch erstellten Kataloge. Für die bereinigte Auswahl verlangen sie, dass die Spitzenintensität einer Quelle mindestens das Fünffache des lokal geschätzten Rauschens erreicht. So sinkt die Gefahr, dass zufällige Schwankungen als echte Himmelsobjekte in die Statistik eingehen. Unterschiedliche Auflösungen bleiben dennoch wichtig, weil ein einziges besonders scharfes Bild nicht alle Arten von Radiostrukturen gleich gut erfasst.
Zusammengekommen sind 200 Stunden Beobachtungszeit und ein Rohdatenvolumen von 400 Terabyte. Darin stecken die aufgezeichneten Signalbeziehungen zwischen den Antennen, die erst durch Kalibrierung und Bildrekonstruktion in eine räumliche Karte übersetzt werden. Verarbeitet wurde der Datensatz auf Spider, einer Hochleistungsrechenplattform des niederländischen Forschungs- und IT-Dienstleisters SURF. Nach Angaben von Erstautor Jurjen de Jong ließ sich der gesamte Datensatz dort innerhalb weniger Monate bearbeiten.
Insgesamt verzeichnet das Paper ungefähr 750.000 CPU-Kernstunden für die Verarbeitung. Gemeint ist die aufsummierte Rechenzeit aller verwendeten Prozessorkerne, nicht die tatsächliche Laufzeit des Projekts. Ein großer Teil der Rechenarbeit entfällt auf Kalibrierung, Datenreduktion und die wiederholte Berechnung einzelner Himmelsbereiche. Für die eigentliche Bilderstellung beanspruchten die Autoren ungefähr ein Zehntel des gesamten Rechenaufwands.
Entscheidend waren mehrere Verbesserungen der Kalibrierungs- und Bildverarbeitung, die den Rechenaufwand deutlich senkten. Dazu gehört ein Verfahren, das Beobachtungen aus unterschiedlichen Zeitpunkten anhand ähnlicher Basislinienkoordinaten zusammenführt und so die Datenmenge für die weitere Verarbeitung reduziert. Nach Angaben der Autoren sanken die Rechenkosten für vergleichbare hochauflösende LOFAR-Bilder in den vergangenen Jahren um mehr als eine Größenordnung. Erst diese Fortschritte machten es praktikabel, große Datenmengen mit hoher Winkelauflösung über ein zusammenhängendes Himmelsfeld zu verarbeiten.
In der Radioastronomie wird bei einer Kontinuumskarte die gesamte Strahlung innerhalb eines Frequenzbereichs ausgewertet. Sie ist damit etwas anderes als die Suche nach kurzen, einzelnen Radioblitzen, die nur für einen sehr kleinen Zeitraum auftreten. Zum Vergleich: Ein kurzzeitiger Radioblitz aus dem frühen Universum stellt eine andere Art von Signal dar und verlangt entsprechend andere Beobachtungs- und Auswertungsverfahren.
Inzwischen stehen die neu veröffentlichten Daten der astronomischen Gemeinschaft öffentlich zur Verfügung. Ihr wissenschaftlicher Wert wächst, wenn andere Teleskope dasselbe Himmelsfeld im sichtbaren Licht, im Infrarot oder im Röntgenbereich beobachten. Durch den Vergleich lassen sich Eigenschaften wie Entfernung und Masse einzelner Radioquellen genauer bestimmen. Zugleich können Forscher untersuchen, ob die Radiostrahlung aus einem aktiven Galaxienkern oder aus der Sternentstehung stammt.
ASTRON und europäische Partner arbeiten bereits an LOFAR2.0. Geplant sind empfindlichere und größere hochauflösende Himmelsbilder. Mit der aktuellen Arbeit zeigen die Autoren, dass sich große Beobachtungsfelder auch mit langen europäischen Basislinien und hoher Empfindlichkeit bearbeiten lassen. Damit entsteht zugleich ein wichtiger technischer Schritt für die Zusammenarbeit mit dem künftigen Square Kilometre Array, dessen Anlagen in Südafrika und Australien entstehen.
Für das geplante LOFAR2.0 Ultra Deep Observation-Projekt ist bereits ein deutlich längerer Beobachtungsumfang vorgesehen. Vorgesehen sind rund 3.200 Stunden Daten aus dem Euclid Deep Field North; angestrebt wird eine Empfindlichkeit von 2 Mikro-Jansky pro Strahl über das zentrale Gebiet. Zusammen mit den optischen und nahinfraroten Euclid-Daten soll sich anschließend untersuchen lassen, wie sich Radiostrahlung und Sternentstehung in Galaxien über unterschiedliche kosmische Entfernungen hinweg entwickeln.
J. M. G. H. J. de Jong et al., Pushing the frontiers of low-frequency radio astronomy: An ultra-deep sub-arcsecond LOFAR image of ELAIS-N1; doi:10.48550/arXiv.2611.06152 (Registrierung ausstehend)
NOVA, Astronomers deliver the sharpest and deepest view yet of the low-frequency radio sky
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