Zwei Antennen, ein Teleskop
Je größer ein Teleskop ist, desto feinere Details kann es erkennen. Radiowellen sind aber mehrere hunderttausendmal länger als sichtbares Licht, und ein Radioteleskop mit der Schärfe eines optischen Teleskops müsste deshalb riesig sein. Die Radioastronomie behilft sich mit einem Trick. Sie verbindet mehrere kleinere Antennen, die weit auseinander stehen, zu einem gemeinsamen Instrument. Man nennt das Interferometrie.
Wie das funktioniert, zeigen die folgenden Animationen am einfachsten Fall mit zwei Antennen. Alle Beispiele rechnen mit der 21-cm-Strahlung des Wasserstoffs, die auch auf der Seite Radioastronomie vorkommt.
Ein Umweg für die Wellen
Alles beginnt mit einer einfachen geometrischen Beobachtung. Eine Welle braucht zu zwei Antennen unterschiedlich lange.
- Eine ferne Quelle. Die Radiowellen einer weit entfernten Quelle kommen als nahezu gerade Wellenfronten bei uns an, wie Wellen auf einem See, die ein weit entferntes Boot erzeugt hat.
- Ein Umweg für eine Antenne. Steht die Quelle nicht genau über uns, erreicht jede Wellenfront zuerst die eine und etwas später die andere Antenne. Der zusätzliche Weg ist magenta eingezeichnet.
- Dasselbe Signal, nur später. Beide Antennen empfangen dieselben Wellenzüge. Unten ist das Signal der einen Antenne gegenüber dem der anderen verschoben.
- Ausgleichen. Verzögert man das frühere Signal elektronisch um genau diesen Umweg, liegen beide Signale wieder übereinander. Probieren Sie es mit dem Knopf „Verzögerung ausgleichen“ aus.
Der Korrelator vergleicht die Signale
Die beiden Signale werden nicht einfach addiert, sondern in einem Korrelator miteinander verglichen. Das Ergebnis hängt davon ab, wie genau die Wellen zueinander passen.
- Multiplizieren. Der Korrelator ist das Herz des Interferometers. Er multipliziert die beiden Signale Punkt für Punkt miteinander (magenta).
- Mitteln. Danach bildet er den Mittelwert (grün). Schwingen beide Signale im Gleichtakt, ist er positiv, im Gegentakt wird er negativ.
- Eine Viertelwelle ergibt null. Beträgt der Umweg eine Viertel-Wellenlänge, heben sich Plus und Minus genau auf. Bei einer halben Welle wird der Mittelwert negativ, bei mehreren ganzen Wellen überlappen die Wellenzüge kaum noch.
- Betrag und Richtung. Ein zweiter Kanal arbeitet mit einem um eine Viertelwelle verschobenen Signal. Beide zusammen ergeben den Pfeil rechts, die komplexe Visibility. Seine Länge zeigt, wie gut die Wellenzüge überlappen, sein Winkel den Umweg.
Streifen am Himmel
Je nach Richtung der Quelle liefert der Korrelator einen anderen Wert. So entsteht ein Streifenmuster, und dessen Feinheit bestimmt, wie scharf das Interferometer sieht.
- Hell, dunkel, hell. Ändert sich die Richtung der Quelle, ändert sich auch der Umweg. Der Korrelator liefert dann abwechselnd positive und negative Werte, am Himmel entsteht ein Streifenmuster.
- Längere Basislinie, feinere Streifen. Der Abstand der Streifen ist ungefähr die Wellenlänge geteilt durch den Abstand der Antennen. Verlängern Sie die Basislinie, und die Streifen rücken eng zusammen.
- Feinere Streifen, schärferer Blick. Wie feine Details ein Interferometer unterscheiden kann, hängt also vom Abstand der Antennen ab und nicht von ihrer Größe. Zwei kleine Antennen in 25 m Abstand erreichen eine ähnliche Schärfe wie eine einzige Schüssel mit 25 m Durchmesser.
- Die grüne Hülle. Wie weit das Muster reicht, bestimmen die einzelnen Antennen. Sie empfangen nur aus einem begrenzten Bereich des Himmels um ihre Blickrichtung.
Die Erde dreht sich mit
Während einer Messung steht der Himmel nicht still. Die Drehung der Erde ist zunächst ein Problem, am Ende aber ein großer Vorteil.
- Die Quelle wandert. Durch die Drehung der Erde zieht jede Quelle langsam über den Himmel. Dabei wandert sie durch das Streifenmuster.
- Der Ausgang schwingt. Das Messsignal pendelt deshalb ständig zwischen plus und minus. Je größer der Abstand der Antennen, desto schneller schwingt es.
- Fringe-Stopping. Weil sich die Bewegung der Quelle genau berechnen lässt, zieht der Korrelator die erwartete Schwingung wieder heraus. Schalten Sie Fringe-Stopping ein, und das Signal steht still.
- Aus dem Rauschen holen. Echte Signale sind viel schwächer als das Rauschen des Empfängers. Erst wenn man lange mittelt, taucht der Wert aus dem Rauschen auf. Das gelingt nur, wenn das Signal stillsteht. Schalten Sie das Rauschen ein und vergleichen Sie beide Fälle.
Vom Prinzip zum Bild
Große Radioobservatorien wie das Very Large Array in den USA oder ALMA in Chile verbinden Dutzende Antennen. Jedes Antennenpaar liefert sein eigenes Streifenmuster, und weil sich die Erde dreht, sieht jedes Paar die Quelle im Laufe der Stunden aus immer neuen Blickwinkeln. Aus all diesen Messungen setzt ein Computer ein Bild zusammen, so scharf, als stammte es von einem einzigen Teleskop mit dem Durchmesser der größten Antennenabstände.
