SKAO – Square Kilometre Array Observatorium: Aufzeichnung der Radiowellen des Universums

Super Telescopes

Astronomie‑Megaprojekte, die die meiste Aufmerksamkeit erregen, sind in der Regel Teleskope im sichtbaren Spektrum oder in dessen Nähe, da sie viele spektakuläre Bilder erzeugen. Das gilt zum Beispiel für das JWST (James‑Webb‑Weltraumteleskop), das wir in einem früheren Megaprojekt‑Artikel ausführlich analysiert haben.

Sterne und andere Himmelskörper senden jedoch nicht nur Signale in Form von Licht aus. Ein weiteres wichtiges Feld der Astronomie sind Radioteleskope, die einen anderen Teil des elektromagnetischen Spektrums, die Funksignale, detektieren.

Quelle: SKAO

Früher beruhigte man sich auf ultragroße Antennen, wie das inzwischen eingestellte 305 Meter‑weite Arecibo‑Observatorium, das man vielleicht aus Filmen der 1990er‑Jahre wie James Bonds „GoldenEye“ oder „Contact“ kennt.

Quelle: The Meliorist

Eine andere Technik verwendet eine große Anzahl kleinerer Antennen und fasst die Gesamtdaten digital zu einem größeren Bild zusammen, ein Verfahren, das Interferometrie genannt wird, manchmal auch Apertursynthese.

Bei dieser Methode führt ein größerer Abstand zwischen den Antennen zu einer höheren Auflösung des Endbildes. So kann man mit genügend Zeit langsam ein hochqualitatives Bild selbst von einer sehr schwachen Quelle erzeugen.

Quelle: NRAO

Dies ist die Methode, die von SKAO (Square Kilometre Array Observatory) verfolgt wird, einem Megaprojekt mit Empfangsstationen, die sich über mindestens 3.000 km erstrecken. Wenn sie in Betrieb sind, werden SKA‑Mid und SKA‑Low das größte Radioteleskop‑Array der Erde sein.

Es sollte unser Verständnis des Universums revolutionieren, indem es die bislang detailliertesten Informationen im Radiowellen‑Spektrum liefert.

Radio Astronomy

Das erste Mal, dass Radiowellen vom Himmel nachgewiesen wurden, war 1933 durch Karl Jansky bei den Bell Telephone Laboratories, wobei sie aus unserer Milchstraße detektiert wurden.

Weitere Analysen folgten in den nächsten Jahren und gipfelten in dem Nobelpreis für Physik 1974, der Sir Martin Ryle für die Entwicklung der Apertursynthese (Interferometrie) und Antony Hewish für die Entdeckung von Pulsaren (Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die sehr regelmäßige und sehr starke Radiopulse aussenden) verliehen wurde.

Quelle: Nobel Prize

Pulsare sowie andere astronomische Phänomene, die zu den leistungsstärksten und gewalttätigsten im Universum gehören, wie supermassive Schwarze Löcher, können nur mit der Radioastronomie beobachtet werden. Sie kann zudem neutrales Wasserstoff nachweisen, das im sichtbaren Licht unsichtbar ist.

Die Radioastronomie hat zudem den Vorteil, bei allen Wetterbedingungen zu funktionieren, da sie nicht von Wolken am Himmel oder schlechtem Wetter beeinträchtigt wird. Ebenso werden Funksignale nicht von kosmischem Staub blockiert, sodass die Radioastronomie dort „sehen“ kann, wo andere Teleskoparten nicht können.

Heute wird die meiste Radioastronomie mit Radiointerferometrie durchgeführt, insbesondere mit Einrichtungen wie dem 27‑Antennen‑Very Large Array (VLA) in New Mexico, USA, und dem 66‑Antennen‑Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile (derzeit das größte Radioteleskop‑Array der Welt).

• Die Erfindung von Wi‑Fi.
• Magnetresonanztomographie (MRT);
• Referenzsysteme für die Raumnavigation und GPS;
• Hochpräzise Überwachung der Bewegungen tektonischer Platten, wichtig für Erdbebenwarnungen.
• Niedrigrauschverstärker für den Einsatz in Radar, Telekommunikation und Fernerkundung;

SKAO‑Geschichte

SKAO ist ursprünglich ein Projekt, das darauf abzielt, mittels Interferometrie ein Array von einem Quadratkilometer (eine Million Quadratmeter, 10 Millionen Quadratfuß) zu erreichen.

Dies liegt daran, dass bereits seit den 1980er‑Jahren bekannt war, dass ein so großes Array nötig ist, um die Expansion des Universums bereits 100 Millionen Jahre nach dem Urknall anhand von Wasserstoffwolken zu analysieren sowie die Entstehung der ersten Galaxien 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall zu untersuchen.

Die Kernmitglieder des Projekts sind Australien, China, Italien, die Niederlande, Portugal, Südafrika, die Schweiz und das Vereinigte Königreich. Andere Länder befinden sich entweder in der Beitrittsphase mit Kooperationsvereinbarung oder sind Beobachter des Projekts, wobei die USA bemerkenswerterweise unter den wichtigsten Ländern fehlen.

Quelle: Wikipedia

Eine kurze Liste von 6 potenziellen Designs wurde 2005 ausgewählt, und die SKA‑Organisation wurde 2011 formell gegründet.

Quelle: SKAO

2015 wurde ein umfangreiches Wissenschaftsbuch mit dem Titel „Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array“ verfasst. Es enthält 135 Kapitel, geschrieben von 1.213 Mitwirkenden aus 31 Nationalitäten.

2019 wurde das SKAO‑Abkommen in Rom unterzeichnet, wodurch die Beiträge und das Engagement jedes Landes im Projekt formalisiert wurden.

Der Baubeginn wurde 2021 freigegeben. Bis Ende 2022 wurden Aufträge im Wert von rund 500 Mio. € vergeben, während SKAO seinen ehrgeizigen Bauzeitplan weiter vorantreibt.

Die anfänglichen Kosten wurden 2014 auf 1,8 Mrd. € geschätzt. 2021 wurde das erforderliche Budget auf 3 Mrd. $ geschätzt.

2025 wird die erste Key‑Science‑Planning‑(KSP‑)Planung und -Einreichung stattfinden, die genau festlegt, was das Teleskop zuerst beobachten wird, abhängig vom Projekt, das von einzelnen Wissenschaftsteams weltweit angeboten wird.

Quelle: SKAO

Ab 2027 werden die ersten Beobachtungen durchgeführt und das Radioteleskop wird betriebsbereit sein; die Überprüfung, dass alles wie geplant funktioniert, wird abgeschlossen und die Kapazität wird mit den ersten Beobachtungen bis 2029 weiter wachsen.

Quelle: SKAO

SKAO Design

SKAO wird als zwei verschiedene Teleskope auf zwei verschiedenen Kontinenten verteilt (Südafrika für SKA‑Mid und Australien für SKA‑Low) und hat seinen Hauptsitz im Vereinigten Königreich.

Quelle: SKAO

Der Standort im Vereinigten Königreich ist das Jodrell‑Bank‑Gelände, ein UNESCO‑Welterbe wegen seines Beitrags zur Entwicklung der Radioastronomie.

Quelle: SKAO

Die Wahl von Südafrika und Australien hing mit der geringeren Funkinterferenz in diesen Regionen (weniger Landmasse und Bevölkerung) zusammen, insbesondere in abgelegenen Wüstengebieten, und bietet gleichzeitig eine gute Sicht auf die Milchstraße.

SKA-Mid

Um eine beispiellose Größe zu erreichen, wird SKAO im SKA‑Mid‑Teil nicht weniger als 197 voll steuerbare Antennen enthalten und dabei das bestehende MeerKAT‑Radioteleskop, ein 64‑Antennen‑System in Südafrika in das neue Projekt integrieren.

Die bestehenden 13,5 m‑Durchmesser‑Antennen des MeerKAT‑Radioteleskops werden durch etwas größere 15 m‑Durchmesser‑SKA‑Antennen ergänzt, die alle zu einem System zusammengefasst werden.

Der maximale Abstand (oder die Basislinie) zwischen den Antennen wird 150 km betragen und eine Gesamtsammlungsfläche von 33.000 m² erzeugen.

Institutionen aus China, Australien, Kanada, Frankreich, Deutschland, Italien, Südafrika, Spanien, dem Vereinigten Königreich und Schweden haben zum SKA‑Mid‑Design beigetragen, und die verschiedenen Komponenten werden weltweit hergestellt, bevor sie nach Südafrika zum Zusammenbau verschifft werden.

Jede 22 Meter hohe, 15 Meter Durchmesser Antenne wird aus 66 einzelnen Paneelen bestehen, von denen jedes mit einer durchschnittlichen Oberflächenpräzision zwischen 0,010 mm und 0,030 mm eingestellt werden muss, um eine glatte Sammelfläche zu gewährleisten.

Quelle: SKAO

Die 160 kg‑Empfänger wandeln Radiowellen von analog zu digital um, sodass sie anschließend über Glasfaserkabel übertragen und verarbeitet werden können.

Die Wahl einer 15‑Meter‑Antenne war ein Kompromiss zwischen der Notwendigkeit von Präzision und hoher Auflösung (kleinere Antennen sind besser) und der Fähigkeit, große Himmelsabschnitte gleichzeitig zu scannen (wo größere Antennen vorteilhaft sind).

Kostenbeschränkungen, die Machbarkeit der Massenproduktion der Antennen, die Installationsgeschwindigkeit, die Aufrechterhaltung niedriger Betriebskosten und die Fähigkeit, extremen Umweltbedingungen wie starkem Wind oder thermischem Stress zu widerstehen, wurden ebenfalls bei der Systemgestaltung berücksichtigt.

Quelle: SKAO

Insgesamt wird SKA‑Mid im Vergleich zum derzeit besten Radioteleskop die 4‑fache Auflösung, die 5‑fache Empfindlichkeit besitzen und den Himmel 60‑mal schneller abscannen können.

SKA-Low

SKA‑Low verwendet ein völlig anderes Design als SKA‑Mid, das eher anderen Radioteleskopen mit großen Antennen ähnelt.

Stattdessen wird SKA‑Low 131.072 log‑periodische Antennen verwenden, die auf 512 Stationen verteilt sind. Log‑periodische Antennen sind kleinere, 2 Meter hohe Antennen, die für die Detektion von niederfrequenten Radiowellen konzipiert sind.

Quelle: ABC

Die „Weihnachtsbaum“-Form der Antenne ist so gestaltet, dass sie jedes mögliche Funksignal im Frequenzbereich von 50 MHz bis 350 MHz erfassen kann. Längere Signale sind im Allgemeinen die ältesten, da sie durch die Expansion des Universums „gedehnt“ wurden.

Die Antennen selbst bewegen sich nicht, aber eine Technik namens „Beamforming“ wird verwendet, um sie in die richtige Richtung zu lenken, im Wesentlichen zu erkennen, woher ein Signal kommt, um es zu verstärken.

Jede Antenne ist mit einer Smart‑Box verbunden, die das verstärkte elektrische Signal in optische Daten umwandelt, die über Glasfasern zur Central Processing Facility (CPF) übertragen werden.

Insgesamt erzeugt die SKA‑Low‑Antenne eine erstaunliche Sammelfläche von 419.000 m². Das bedeutet, dass selbst die schwächsten Signale erkannt, kombiniert und verstärkt werden können, wie es zuvor nie möglich war.

Quelle: SKAO

Sie verleiht SKA‑Low zudem im Vergleich zum derzeit besten ähnlichen System einen erheblichen Leistungszuwachs, mit 25 % besserer Auflösung, 8‑facher Empfindlichkeit und der Fähigkeit, den Himmel 135‑mal schneller zu kartieren.

Bei der Gestaltung der SKA‑Low‑Antennen bestimmte die Notwendigkeit ihrer Massenproduktion viele Entscheidungen, etwa dass sie alle ohne bewegliche Teile gebaut werden.

SKAO’s Objectives

SKAO wird in aufeinanderfolgenden Phasen eingesetzt, während die Radioteleskopsysteme gebaut werden.

In Phase 1 wird erwartet, dass es die Empfindlichkeit besitzt, bis zu 10.000 normale Pulsare und 1.000 Millisekunden‑Pulsare (ultraschnelle und leistungsstarke Pulsare) in der Milchstraße zu detektieren. Wenn es vollständig eingesetzt ist, sollte es alle galaktischen Pulsare, die ihr Signal zur Erde senden, erfassen können.

Es wird zudem die erste detaillierte Messung des sogenannten Cosmic Dawn liefern, dem Moment und den Bedingungen, als die ersten Sterne und Galaxien entstanden, sowie der anschließenden „Ära der Reionisation“, die dem aktuellen Zustand des Universums ähnlicher ist.

Quelle: SKAO

SKAO wird außerdem in der Lage sein, Gravitationswellen anhand ihrer Auswirkungen auf die Funksignale zu analysieren, und damit den LIGO‑Gravitationswellendetektor zu ergänzen.

Die Systeme werden zudem variable „Sub‑Arrays“ bilden können, die parallele Beobachtungen und Experimente gleichzeitig ermöglichen, wobei nur ein Teil des gesamten Interferometrie‑Teleskops mobilisiert wird.

Quelle: SKAO

SKAO Technological Achievements

Manufacturing & Economic Impact

Auf technischer Ebene beeindruckt SKAO durch seine Größe und Präzision, insbesondere durch die extrem präzise Fertigung, die für seine Antenne erforderlich ist und die für SKA‑Mid Hunderte‑mal und für SKA‑Low Hunderttausende‑mal reproduziert werden muss.

Dies wurde durch zahlreiche Partnerschaftsprogramme mit Unternehmen aus den teilnehmenden Ländern erreicht, die einen starken Einfluss auf deren technologische Fähigkeiten sowie die lokalen Volkswirtschaften haben, zum Beispiel:

• Die Hardware für Zeit‑ und Frequenzverteilung wurde vom spanischen Unternehmen Seven Solutions entwickelt, das inzwischen von dem multinationalen Luft‑ und Raumfahrtunternehmen Safran Electronics & Defense übernommen wurde.
• SIRIO Antenne, ein italienisches Familienunternehmen, wurde beauftragt, die ersten 78.520 Antennen des Teleskops über etwa 2,5 Jahre zu fertigen
• Das australische Unternehmen Ventia erhielt einen Vertrag über 125 Mio. € für drei Jahre, um die Infrastruktur für das SKA‑Low‑Teleskop in Australien bereitzustellen.
• South Africa Power Adenco, zu 51 % im Besitz von Adenco Construction, stellt die optischen Fasern, Straßen und Stromversorgung bereit, die das Projekt benötigt.
• Das schwedische Unternehmen AAC Clyde Space, über seine Tochtergesellschaft AAC Omnisys, stellt hochpräzise Messinstrumente für die Radiowellendetektion bereit.

Data Management

Ein weiterer Einfluss von SKAO liegt im Umgang mit Daten. Da das von den Antennen gesammelte Funksignal in digitale Informationen umgewandelt wird, entsteht ein Datenstrom, der verarbeitet werden muss.

Ein durchschnittlicher Datenfluss von 8 Terabit pro Sekunde wird über Hunderte von Kilometern vom SKA‑Low‑Teleskop im Murchison‑Outback in Australien zur Verarbeitungsanlage in Perth übertragen. Für SKA‑Mid in Südafrika ist die Datenrate sogar noch höher, etwa 20 Terabit pro Sekunde. Das sind 1.000‑mal mehr Daten als das ALMA‑Radioteleskop (das größte der Welt) derzeit erzeugt.

Jeder von den einzelnen Antennen empfangene Datensatz liegt leicht zu unterschiedlichen Zeiten vor, sodass sie dank ultrapräziser Atomuhr synchronisiert werden müssen. Diese Anforderung war so streng, dass neue Methoden zur Daten‑synchronisation entwickelt werden mussten.

Die Daten werden dann an zwei Supercomputer namens Science Data Processors (SDPs) übertragen. Jeder wird eine Verarbeitungsgeschwindigkeit von ca. 135 PFlops (Petaflops) besitzen, was 2022 zu den drei schnellsten Computern der Erde gehörte.

Insgesamt wird das Projekt pro Jahr 700 Petabyte an Daten archivieren, was dem Speicher von 1,5 Millionen normalen Laptops entspricht.

Der Großteil der Rechenleistung wird durch ein Solarkraftwerk und die zugehörigen Batterien bereitgestellt, mit Dieselgenerator‑Backups.

Beyond SKAO Phase 1

The Next Step For SKAO

Wenn immer mehr Antennen angeschlossen werden, wird die Kapazität von SKAO wachsen und sowohl die Auflösung als auch die Gesamtabtastkapazität erhöhen.

Quelle: SKAO

Langfristig ist SKAO darauf ausgelegt, weitere Radioteleskop‑Arrays zu integrieren. Dies soll durch den Ausbau weiterer Antennen in Australien sowie neuer Arrays in anderen afrikanischen Ländern erreicht werden. Zu den in Betracht gezogenen neuen Partnern gehören viele Nachbarländer Südafrikas, darunter Botswana, Ghana, Kenia, Madagaskar, Mauritius, Mosambik, Namibia und Sambia.

Für Phase II des Projekts wird ein neues Band des Werks „Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array“ vorbereitet, „Advancing Astrophysics II“.

Other Radio Telescopes

Die USA bauen das Next Generation Very Large Array (ngVLA), den Nachfolger des aktuellen VLA, das aus 25‑Meter‑Antennen bestehen wird und sich über 5.505 Meilen (8.860 km) zwischen dem Festland der USA, Hawaii, Puerto Rico und Kanada erstreckt.

Quelle: ngVLA

Ein weiterer Plan ist, dass die NASA ein riesiges Radioteleskop auf der dunklen Seite des Mondes baut, eine Position, die es vollständig vor jeglicher Störung von der Erde schützt, genannt LuSEE‑Night‑Instrument (Lunar Surface Electromagnetic Experiment). Statt einer großen Antenne wird dieses Konzept lange Kabel verwenden, um Radiowellen zu detektieren.

Quelle: Cosmo

Ein deutlich ambitionierteres Konzept, genannt Lunar Crater Radio Telescope (LCRT), stellt sich ein Design vor, bei dem ein 3‑5 km‑großer Mondkrater als Antenne dient, wobei ein kilometerlanges Kabel als Empfangsantenne fungiert.

Quelle: NASA

Conclusion

Die Ergebnisse von SKAO werden deutlich weniger visuell sein als bei anderen Teleskopen, da sie sich auf die unsichtbaren und komplexeren Radiowellensignale konzentrieren, die von einigen der massereichsten Objekte im Universum erzeugt werden, wie Neutronensterne und supermassive Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien.

Diese Ergebnisse könnten jedoch ebenso, wenn nicht sogar stärker, unser Verständnis des Universums transformieren als Daten von Teleskopen wie dem JWST. Dazu gehören der allererste Moment des Universums sowie die Art und Weise, wie Gravitationswellen das Universum, wie wir es kennen, formen.

Es ist zudem ein riesiges industrielles und wissenschaftliches Unterfangen, das Tausende der besten Köpfe der Welt mobilisiert. Wie bei vielen früheren Radioastronomie‑Projekten wird die extreme technische Anforderung an die eingesetzte Hardware und Software vorantreiben, was mit drahtloser Datendetektion, Halbleitern & Präzisionsfertigung sowie Datenanalyse möglich ist.

Damit wird es zweifellos als eines der wichtigsten und transformativsten wissenschaftlichen Megaprojekte des frühen 21.^st Jahrhunderts in Erinnerung bleiben.

SKAO Related Company

AAC Clyde Space

Während viele Unternehmen an SKAO beteiligt sind, ist es für einige ein deutlich größeres Geschäft, da das Unternehmen kleiner und das Projekt im Vergleich für sie größer ist.

AAC ist eines davon, ein schwedisches Unternehmen, das 2023 ein Ausschreibungsverfahren gewonnen hat, um dem Radioteleskop‑Projekt seine wichtigsten Radioastronomie‑Empfänger zu liefern.

Das Projekt hat einen Wert von 12 Mio. EUR, und die Lieferung erfolgt bis zum ersten Quartal 2027. Jeder Empfänger ist über einen Meter breit und wiegt 180 kg. Omnisys wird dem Projekt 80 vollständig funktionierende und integrierte Empfängersysteme liefern. Der beigefügte Digital‑Wandler wird von Qualcomm (QCOM ) gebaut.

Quelle: Chalmers SE

Neben Radioteleskopsystemen liegt die Expertise von AAC in der Produktion und dem Betrieb von Kleinsatelliten. Der Fokus des Unternehmens auf Kleinsatelliten profitiert von sinkenden Startkosten in den Orbit, wodurch der Start vieler Kleinsatelliten rentabler wird, insbesondere beim Aufbau von Satellitenkonstellationen (das bekannteste Beispiel ist SpaceX’s Starlink (SPCX )).

AAC verfügt über eine eigene Konstellation von 15 Satelliten, die ihren Kunden Daten wie Orbitalbilder, Schiffsverfolgung, Präzisionslandwirtschaft, Forstdaten usw. bereitstellen, ohne dass diese eigene Satelliten betreiben müssen.

Das Unternehmen plant, dieses „Space Data as a Service“-Angebot im kommenden Jahrzehnt auszubauen, 2025 hyperspektrale Daten für die Landwirtschaft hinzuzufügen sowie VDES (Very High‑Frequency Data Exchange System) für die Schiffs­kommunikation (der erste Satellit wurde 2023 gestartet).

Quelle: AAC

In der Zwischenzeit gewinnt das Unternehmen Aufträge zum Bau neuer Satelliten, wie die European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT), die Echtzeit‑optische und quantenbasierte Direkt‑zur‑Erde‑Kommunikation ESA OPS‑SAT VOLT, Schottlands ersten Satelliten UKube‑1 oder den Maritime Communications Satellite Ymir‑1.

Als wichtiger Anbieter von Satellitensystemen für Europa befindet sich das Unternehmen in einer guten Position, von den Zielen der Region zu profitieren, eine relevante Raumfahrtmacht zu bleiben und eigene Satellitenkonstellationen zu entwickeln, selbst wenn die ESA im Vergleich zu China, SpaceX oder Rocket Lab (RKLB ) bei wiederverwendbaren Trägerraketen hinterherhinkt (Folgen Sie dem Link für den dedizierten Rocket‑Lab‑Investitionsbericht).