Solar Radio Physics
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last change 2009 June 26, F. Breitling
Solare Radiophysik - Forschungsbereich Bereich I en
 
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LOFAR


LOw Frequency ARray








LOFAR Map
© 2008 Spektrum der Wissenschaft/Emde-Grafik










LOFAR ist ein neuartiges Radioteleskop für den Frequenzbereich von 30 - 240 MHz. Es wird derzeit von ASTRON bei Exloo in den Niederlanden aufgebaut. In seiner ersten Ausbauphase besteht es aus etwa 40 Sensorfeldern, von denen rund 20 in einem kompakten Kern mit 2 km Durchmesser bei Exloo stehen. Die übrigen Stationen sind weiter entfernt und bilden näherungsweise logarithmische Spiralen in den nördlichen Niederlanden. Dadurch werden Basislinien von bis zu 100 km erreicht.

Eine LOFAR-Station besteht aus zwei Feldern von ca. 60 x 60 m, auf denen Antennen für niedrige (30 - 80 MHz) und hohe (120 - 240 MHz) Frequenzen verteilt sind. Die Antennen sind einfache Dipolantennen. Die Lücke von 80 - 120 MHz spart den Bereich des UKW-Radios aus, in dem Beobachtungen aufgrund des starken Störhintergrunds nicht möglich sind.

Bei "herkömmlichen" Radiointerferometern zeigen Parabolantennen auf das Beobachtungsobjekt am Himmel. Die Signale der einzelnen Antennen werden mit geeigneten Zeitverzögerungen korreliert und ein Radiobild erzeugt. Mit diesem Verfahren kann zur selben Zeit nur eine Radioquelle auf einer Frequenz beobachtet werden. LOFAR verfolgt einen anderen Ansatz. LOFAR verwendet nur einfache Dipolantennen die im wesentlichen den ganzen Himmel abdecken. An jeder LOFAR-Station werden die Signale digitalisiert und zum Central Processing System (CPS) in Groningen geschickt. Erst dort erfolgt die Korrelation und weitere Verarbeitung der Daten. Dieser Ansatz verleiht LOFAR eine hohe Flexibilität und erlaubt die gleichzeitige Beobachtung in bis zu 8 verschiedenen Richtungen am Himmel. Die langen Basislinien von LOFAR erlauben Auflösungen im Bogensekundenbereich bei langen Wellenlängen, und die große Empfangsfläche aller LOFAR-Stationen zusammen führt zu einer Empfindlichkeit im Bereich von mJy. Damit geht LOFAR sowohl in Auflösung als auch Empfindlichkeit deutlich über bestehende Radioteleskope hinaus.






LOFAR Key Science Projects

LOFAR ist mit seiner hohen Empfindlichkeit und Flexibilität für unterschiedlichste wissenschaftliche Fragestellungen geeignet, vom frühen Universum bis zum erdnahen Weltraum. Durch sog. "Key Science Projects" werden einige Schwerpunkte gesetzt:
  • Solare Physik und Weltraumwetter
    Die Sonne ist eine intensive Radioquelle. Ausbrüche solarer Radiostrahlung hängen mit den Phänomenen der aktiven Sonne, wie Flares und koronale Massenauswürfen, eng zusammen. Die Sonnenaktivität hat erhebliche Auswirkungen auf die Erde und den erdnahen Weltraum. Diese Zusammenhänge werden unter dem Begriff "Weltraumwetter" zusammengefasst. Im Key Science Project "Solar Physics and Space Weather with LOFAR" werden diese Phänomene untersucht.
  • Ära der Reionisation
    LOFAR wird in der Lage sein, die 21 cm - Linie des neutralen Wasserstoffs aus der Zeit der Reionisation des frühen Universums zu empfangen. Auf diese Weise werden Informationen über die ersten Sterne und Galaxien, sowie über Strukturbildung im Universum gewonnen.
  • Tiefe Extragalaktische Surveys
    LOFAR wird mit seiner hohen Empfindlichkeit den Himmel kartieren und Radioquellen katalogisieren. Die Anwendungen reichen von Schwarzen Löchern über Galaxien bis hin zu Galaxienhaufen. Mit der Entdeckung bisher unbekannter Objekte ist zu rechnen.
  • Transiente Ereignisse
    Durch regelmäßige Durchmusterungen eines großen Teils des Himmels können veränderliche Radioquellen und transiente Ereignisse identifiziert werden. Kandidaten für Radiostrahlungsausbrüche sind z.B. Flare Stars, Röntgendoppelsterne, Supernovae und Gammastrahlungsausbrüche.
  • Kosmische Magnetfelder
    Teilchen der kosmischen Strahlung senden in den schwachen Magnetfeldern von Galaxien Synchrotronstrahlung aus, die mit LOFAR beobachtbar ist. Dadurch lassen sich die Magnetfelder in entfernten Galaxien bestimmen, und Informationen über ihre Dynamik gewinnen.
  • Ultra-Hochenergetische Kosmische Strahlung
    Hochenergetische Teilchen der kosmischen Strahlung lösen bei ihrem Auftreffen auf Atome in der irdischen Atmosphäre eine Kaskade von Sekundärteilchen aus, die einen Radiostrahungsblitz aussenden. Durch Beobachtungen dieser Blitze mit LOFAR lassen sich Rückschlüsse auf die Quellen der kosmischen Strahlung ziehen.





Solare Radioastronomie mit LOFAR







Solare Radiostrahlung im LOFAR-Frequenzbereich stammt aus der mittleren und oberen Korona der Sonne. Damit, sowie seiner Fähigkeit Radiobilder zu erzeugen, ist LOFAR hervorragend geeignet z.B. die Auslösung von koronalen Massenauswürfen (coronal mass ejections, CMEs) zu verfolgen und ihre mögliche Auswirkungen auf die Erde abzuschätzen. Dieses ist für Untersuchungen des Weltraumwetters von großer Bedeutung.

Im Bereich niedriger Frequenzen beobachten nur wenige abbildende Instrumente die Sonne, z.B. der Radioheliograph in Nancay, Frankreich, im Frequenzbereich von 150 - 432 MHz und einer räumlichen Auflösung von bis zu 1'. LOFAR wird die Beobachtungsmöglichkeiten deutlich erweitern und den Frequenzbereich zu niederen Frequenzen bis zu 30 MHz erweitern. Durch die gleichzeitige Beobachtungen in verschiedenen Frequenzen, d.h. unterschiedliche Höhen in der Korona, lassen sich bisher unerforschte Strukturen in koronalen Radioquellen untersuchen. LOFARs Flexibilität ermöglicht verschiedene Beobachtungsmodi, die auf unterschiedliche wissenschaftliche Fragestellungen zugeschnitten sind:

  • Reaktion auf solare Radiobursts
    Da die Steuerung von LOFAR im wesentlichen in Software realisiert ist, kann schnell auf Änderungen der Sonnenaktivität reagiert werden. Wenn durch einen kontinuierlich arbeitendes Radiospektrometer, z.B. das Observatorium für solare Radioastronomie in Tremsdorf, ein Radioburst registriert wird ("Burst-Klingel"), können Folgebeobachtungen mit LOFAR, z.B. Bilder in schneller Folge auf verschiedenen Frequenzen, ausgelöst werden.
  • Langfristige Beobachtung der Sonnenaktivität
    Als langfristiger Routinebeobachtungsmodus bieten sich Radiobilder der Sonne auf verschiedenen Frequenzen mit einer Sequenz von 1 Bild pro Minute an. Damit lässt sich die Entwicklung im Vorfeld eines solaren Radiobursts untersuchen. Solche Beobachtungen stellen eine wertvolle Ergänzung der regelmäßigen optischen Beobachtungen, z.B. der H alpha - Bilder des Kanzelhöhe Solar Observatory, dar.
  • Untersuchungen des Weltraumwetters
    Die Phänomene der aktiven Sonne, wie Flares und CMEs, können erhebliche Auswirkungen auf die Erde und den erdnahen Weltraum haben. Diese Zusammenhänge werden üblicherweise Weltraumwetter (link!) genannt. LOFARs Frequenzbereich entspricht Radiostrahlung aus der oberen Korona der Sonne, also der Region in der CMEs in Richtung interplanetarer Raum starten. Durch LOFAR-Radiobilder eines entstehenden CMEs lassen sich seine möglichen Auswirkungen auf die Erde abschätzen.
  • Beobachtungskampagnen
    Um die physikalischen Vorgängen in Flares und CMEs besser zu verstehen, sind gleichzeitige Beobachtungen in unterschiedlichen Frequenzen sinnvoll. So senden hochenergetische Elektronen in der Sonnenatmosphäre nicht nur Radiowellen, sondern auch Röntgenstrahlen aus, während die Aufheizung der Korona in einem Flare zur Emission von EUV-Strahlung führt, und die Auswirkungen des Flares auf die Chromosphäre im optischen Bereich und in Millimeterwellen beobachtbar sind. Daher sind gemeinsame Beobachtungskampagnen mit Röntgenteleskopen wie der japanischen Hinode oder dem zukünftigen Solar Dynamics Observatory der NASA ebenso sinnvoll, wie mit optischen Teleskopen wie GREGOR oder Radioinstrumenten im Millimeterbereich wie ALMA.
    Für CME - Beobachtungen bieten sich gemeinsame Beobachtungen von LOFAR und weltraumgestützten Radioempfängern an, da die Frequenz der Radiostrahlung von CMEs mit zunehmender Entfernung von der Sonne abfällt, und Frequenzen unterhalb von 10 MHz aufgrund der ionosphärischen Reflektion nicht von der Erdoberfläche aus beobachtbar sind. Ein Beispiel für eine solcheWeltraummission ist STEREO.
  • Einzelstation aus Spektrometern
    Neben den bisher genannten Beobachtungsmodi, bei denen das gesamte LOFAR-System verwendet wird, besteht auch die Möglichkeit mit nur einer Station die Sonne zu beobachten. Dieser Fall tritt z.B. dann ein, wenn ein Beobachtungsprogramm nur Stationen im zentralen Kern verwendet, und die Station in Bornim verfügbar ist. In diesem Fall wird das Radiospektrum der Sonne in ausgewählten Frequenzintervallen ab 30 MHz beobachtet und das LOFAR-System optimal genutzt.

Nähere Informationen zur solaren Radioastronomie mit LOFAR finden sie in unserer Broschüre Solar Physics with LOFAR (PDF, 1071 KB).









Weitere wissenschaftliche Interessen an LOFAR am AIP







LOFAR ist ein leistungsfähiges und flexibles Radioteleskop, das für eine Vielzahl von wissenschaftlichen Fragestellungen einsetzbar ist. In den beiden Abteilungen des AIP gibt es neben der Sonnenphysik Interesse an folgenden Themen:
  • Solar-stellar connections
    Die Sonne ist der einzige Stern, der von der Erde aus direkt mit abbildenden Teleskopen beobachtet werden kann. Untersuchungen der Sonne als typischem Hauptreihenstern sind somit auch von großem Interesse für die stellare Astrophysik.
  • Extragalaktische Astronomie
    LOFAR wird die Entstehung und Entwicklung von Galaxien, Galaxienhaufen, und aktiven Galaxienkernen (active galactic nuclei, AGNs), sowie die Phase der Reionisation der Materie im frühen Universum durch die UV-Strahlung der ersten Sterne und Quasare, untersuchen.
  • Galaktische Astronomie
    LOFAR wird die Absorption und Polarisation von Radiowellen im interstellaren Medium, sowie die Schockwellen und damit verbundene Teilchenbeschleunigung an Supernova-Überresten, beobachten.
  • Himmelsdurchmusterungen
    LOFAR wird Radiokarten des gesamten von Mitteleuropa aus beobachtbaren Himmels in bisher unerreichter Empfindlichkeit und Auflösung erstellen. Dabei ist die Entdeckung vieler neuer Radioquellen zu erwarten.
  • GRID - Computing
    Bei LOFAR-Beobachtungen fallen große Datenmengen an, zu deren Bearbeitung und Speicherung eine geeignete Infrastruktur erforderlich ist. Hierzu ist GRID-Technologie erforderlich, z.B. dCache. Daher sind GRID-Computing und E-science wesentliche Bestandteile des LOFAR-Projekts.








LOFAR-Stationen in Deutschland - GLOW







Eine Gruppe deutscher Institute mit Interesse an LOFAR, wie z.B. das AIP oder das MPI für Radioastronomie haben das German LOng Wavelength consortium (GLOW) gegründet.








Map with GLOW LOFAR stations

Geplante LOFAR-Stationen in Deutschland sowie der zentrale Kern in Exloo (Niederlande).  Zeichnung: D. Lehmann, AIP










Die vorangegangene Abbildung zeigt eine Karte mit den geplanten LOFAR-Stationen in Deutschland. Durch diese und weitere Stationen in Mitteleuropa werden Basislinien von bis zu 1000 km erreicht, und das Auflösungsvermögen von LOFAR weiter verbessert.

Die vom MPI für Radioastronomie betriebene LOFAR-Station in Effelsberg hat bereits ihren Betrieb aufgenommen.

Weitere Informationen zu den LOFAR-Aktivitäten in Deutschland sind unter www.lofar.de zu finden.








LOFAR - Station des AIP in Bornim







Aerial view of the Potsdam-Bornim station

Luftaufnahme des geplanten Standorts der LOFAR-Station des AIP bei Bornim.









Das AIP plant eine LOFAR-Station in Bornim bei Potsdam aufzubauen. Die vorangegangen Abbildung zeigt eine Luftaufnahme des Standortes. Die roten Quadrate stellen jeweils Antennenfelder von 60 m x 60 m für die niedrigen (30 - 80 MHz, LB) und von 50 m x 50 m für die hohen (120 - 240 MHz, HB) Frequenzen dar. Dieser Standort hat den Vorteil, dass über das benachbarte Institut für Agrartechnik Bornim (ATB) die für den Stationsbetrieb notwendige schnelle Datenverbindung von 2 GBit/s realisiert werden kann.