Mehr als zehn Jahre lang beobachtete ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Universitäten Hamburg, Bielefeld, Bochum und Würzburg sowie der Thüringer Landessternwarte und des Jülich Computing Centre den Nordhimmel mit dem Radioteleskop LOFAR. Nun haben die Forschenden die Beobachtungsdaten dieser Himmelsdurchmusterung vorgelegt und veröffentlichen die Ergebnisse in der Fachzeitschrift "Astronomy & Astrophysics". Die Himmelsdurchmusterung erfasst 13,7 Millionen kosmische Radioquellen und liefert die bislang umfassendste Bestandsaufnahme aktiver Galaxien.
Ein internationales Team von Radioastronominnen und -astronomen unter der Leitung von Dr. Timothy Shimwell, Wissenschaftler bei ASTRON, dem niederländischen Institut für Radioastronomie, hat mit dem Radioteleskop LOFAR (Low Frequency Array) eine außergewöhnlich detailreiche Himmelskarte erstellt und diese nun veröffentlicht. Die Durchmusterung (LOFAR Two-metre Sky Survey, LoTSS) kartiert den nördlichen Himmel in bislang unerreichter Auflösung. Für diese Himmelskarte hat das internationale Forschungsteam knapp 13.000 Stunden Beobachtungszeit mit dem Radioteleskop LOFAR ausgewertet. Im Ergebnis wurden 13,7 Millionen Radioquellen in einem Katalog erfasst. Das ist die größte Sammlung an Radioquellen, die jemals angelegt wurde.
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Eine Auswahl von aktiven Galaxien. Die in den Bildern sichtbaren Jets werden von den supermassereichen Schwarzen Löchern, die sich in den Zentren der Galaxien befinden, angetrieben. Das Bild veranschaulicht die Vielfalt der Formen, die sich aus der Aktivität der Schwarzen Löcher und ihrer Wechselwirkung mit der Umgebung ergeben können. Bildquelle: Maya Horton/LOFAR-Surveys-Kooperation |
Hier blickt LOFAR in unsere Galaxie in Richtung des Sternbilds Aquila, wo viele massereiche Sterne explodiert sind. Auf dem Bild sind der große Manatee-Nebel (unten rechts) und viele andere blasenartige Supernova-Überreste zu sehen. Dahinter befindet sich ein Hintergrund aus entfernten Radiogalaxien, die als schwache Punkte zu erkennen sind. Bildquelle: LOFAR-Surveys-Kooperation |
Radioteleskop LOFAR spürt seltene und schwer fassbare Objekte auf
Beobachtungen mit einem Radioteleskop bei niedrigen Frequenzen offenbaren ein völlig anderes Bild des Kosmos als Beobachtungen mit optischen Teleskopen. Radioteleskope können Vorgänge im Universum wahrnehmen, die dem Auge verborgen bleiben. So können die Forschenden energetische Phänomene wie Ausströmungen (Jets) aus supermassereichen Schwarzen Löchern sowie Galaxien mit starker Sternentstehung verfolgen.
Die Untersuchung hat neben den Galaxien weitere seltene und schwer fassbare Objekte aufgespürt, darunter verschmelzende Galaxienhaufen, schwache Supernova-Überreste und aktive oder wechselwirkende Sterne. Die Untersuchung ermöglicht bereits Hunderte weiterführende astronomische Studien. Sie bietet neue Einblicke in die Entstehung und Entwicklung kosmischer Strukturen, in die Beschleunigung von Teilchen auf extreme Energien und in kosmische Magnetfelder.
Die Radiogalaxien NGC 315 und NGC 383 dominieren dieses Bild mit spektakulären, verdrehten Jets, die von zentralen supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben werden. Sie befinden sich in einer Entfernung von etwa 223 und 209 Millionen Lichtjahren und heben sich vor dem Hintergrund von Hunderten weit entfernterer Radiogalaxien ab, die meist als schwache Punkte zu sehen sind.Diese großflächige Radiokarte des Universums mit bisher unerreichter Detailtiefe ist nun öffentlich zugänglich. "Diese Datenveröffentlichung vereint mehr als ein Jahrzehnt an Beobachtungen, groß angelegter Datenverarbeitung und wissenschaftlicher Analyse durch ein internationales Forschungsteam", unterstreicht Dr. Timothy Shimwell. "Mit LOFAR können wir kosmische Magnetfelder detailliert studieren. Dabei haben wir herausgefunden, dass Stoßwellen allerkleinste Teilchen ganz effizient beschleunigen können. Diese Beobachtungen sind nur mit den besonderen Fähigkeiten von LOFAR möglich", sagt Marcus Brüggen, Professor für Astrophysik an der Universität Hamburg. "Neben Erkenntnissen über die detaillierten physikalischen Vorgänge lernen wir aus dem neuen Himmelsatlas auch, wie sich Galaxien entwickeln und wie sie im Universum angeordnet sind", fügt Dominik Schwarz, Professor für Physik an der Universität Bielefeld, hinzu.
Enorme Herausforderungen an die Software und die Datenverarbeitung
Das Forschungsteam entwickelte komplexe Software, um die Details der Radioquellen abbilden zu können. Eine große Herausforderung war es, die Verzerrungen, verursacht durch eine sich ständig ändernde Ionosphäre (die elektrisch geladene Schicht der oberen Atmosphäre), präzise zu korrigieren. Die Arbeitsabläufe zur Verarbeitung der 13.000 Beobachtungsstunden mussten in hohem Maße automatisiert werden.
Die Verteilung der Rechenlast auf mehrere Supercomputer, die Speicherung und das Abrufen von solch riesigen Datenmengen sind eine weitere Herausforderung. "Die von uns verarbeitete Datenmenge – insgesamt 18,6 Petabyte – ist immens und erforderte über viele Jahre hinweg eine kontinuierliche Verarbeitung und Überwachung mit mehr als 20 Millionen Stunden Rechenzeit“, sagt Dr. Alexander Drabent, Wissenschaftler und Softwareentwickler für LOFAR an der Thüringer Landessternwarte.
Für die Datenauswertung kam JUWELS am Forschungszentrum Jülich zum Einsatz, der zu den schnellsten Supercomputern Europas zählt. "Für diese Himmelsdurchmusterung mussten erstmals im Rahmen eines astronomischen Beobachtungsprojekts solche große Datenmengen gespeichert, verarbeitet und zugänglich gemacht werden. Damit hat LOFAR auch den Weg für kommende große Projekte geebnet", sagt Cristina Manzano, Head of Operation & Development Team Technical Services am Jülich Supercomputing Centre (JSC).
Ausblick
LOFAR ist seit 2024 als European Research Infrastructure Consortium (LOFAR ERIC) organisiert. Zu den Mitgliedstaaten zählen unter anderem die Niederlande und die Bundesrepublik Deutschland. Forschungsinstitute in Deutschland betreiben sechs der internationalen LOFAR-Stationen. Das Netzwerk wächst weiter: In Italien und in Bulgarien werden neue LOFAR-Stationen gebaut. 2025 ist die Tschechische Republik dem LOFAR ERIC beigetreten, auch dort wird eine neue Station errichtet.
Aktuell wird das Radioteleskop LOFAR modernisiert. Die Daten des jetzt veröffentlichten "LOFAR Two-metre Sky Survey" bieten den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in den kommenden Jahren noch viel Stoff für astronomische Entdeckungen. Sie werden nun sorgfältig nach seltenen astrophysikalischen Phänomenen durchsucht.
Fachartikel
„The LOFAR Two-metre Sky Survey VII. Third Data Release”
T.W. Shimwell et al., 2025, in: Astronomy & Astrophysics
DOI: 10.1051/0004-6361/202557749
Technische Details zum LOFAR Two-metre Sky Survey (LoTSS) auf einen Blick
Himmelsabdeckung: 19.035 Quadratgrad
Zahl der katalogisierten Radioquellen: 13.667.877
Frequenzbereich der Beobachtungen: 120 bis 168 Megahertz (Wellenlänge ca. 2 Meter)
Winkelauflösung: 6 Bogensekunden (9 Bogensekunden südlich von 10° Deklination)
Mittlere Empfindlichkeit: 92 µJy/beam
Datenvolumen der Beobachtungen: 18,6 Petabytes Rohdaten; 590 TB öffentliche Datenprodukte
Gesamte Beobachtungszeit: 12.950 Stunden über 10,5 Jahre
Rechenzeit: circa 20 Millionen Stunden (core-hrs)
Datenzugang
Alle LoTSS-DR3-Datenprodukte sind öffentlich zugänglich, darunter Bilder und Kataloge, die 19.035 Quadratgrad (46 Prozent des gesamten Himmels) abdecken, Polarisationsinformationen, kalibrierte Visibilities und 590 Terabyte wissenschaftliche Datenprodukte. Sie sind unter diesen Links verfügbar:
https://lofar-surveys.org/dr3_release.htm
https://sdr-prod.repository.surf.nl/records/82v3b-mv369
Über LOFAR-ERIC
Das LOw Frequency ARray (LOFAR) ist ein revolutionäres Radioteleskop, das vom niederländischen Institut für Radioastronomie ASTRON entwickelt und gebaut wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Parabolantennen besteht LOFAR aus Tausenden einfacher Antennenelemente, die über Europa verteilt und durch Glasfaser-Netze miteinander verbunden sind. Die Daten aller Antennen werden mit Hilfe leistungsstarker Computer kombiniert, um Bilder des Radiohimmels zu erstellen.
LOFAR wird vom LOFAR European Research Infrastructure Consortium (LOFAR ERIC) betrieben, einem Zusammenschluss von Institutionen aus elf Ländern (Niederlande, Bulgarien, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, Lettland, Polen, Schweden, Tschechische Republik). LOFAR ERIC ist ein hervorragendes Beispiel für erfolgreiche internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit: Institutionen in verschiedenen Ländern bündeln Fachwissen, Rechenleistung und Forschungsinfrastruktur über nationale Grenzen hinweg, um das Wissen der Menschheit über die Entstehung unseres Universums zu vertiefen.
Das internationale LOFAR-Teleskop ist aufgrund seiner Empfindlichkeit, seines großen Sichtfeldes und seiner Bildauflösung bzw. -klarheit einzigartig. Das LOFAR-Datenarchiv ist die bisher größte astronomische Datensammlung der Welt.
Astronomische Forschung mit LOFAR in Deutschland
Die Daten der LOFAR-Himmelsdurchmusterung sind für die deutsche Astronomie von großer Bedeutung. Sie werden auch in Forschungsverbünden wie dem Exzellenzcluster "Quantum Universe", dem Sonderforschungsbereich 1491 "Cosmic Interacting Matters - From Source to Signal” und der DFG-Forschungsgruppe FOR 5195 "Relativistic Jets in Active Galaxies“ genutzt. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert die Entwicklung von LOFAR im Rahmen des Verbundprojekts 05A2023: "LOFAR: Neue Möglichkeiten und neue Struktur für das führende Niederfrequenz-Radioteleskop”.
Im Rahmen des deutschen GLOW-Konsortiums (German Long Wavelength) sind sechs Universitäten (Bielefeld, Bochum, Dortmund, Erlangen-Nürnberg, Hamburg und Würzburg) sowie das Forschungszentrum Jülich, das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, das Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching, das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und die Thüringer Landessternwarte Tautenburg an dem Betrieb der sechs deutschen LOFAR- Stationen beteiligt.
Weitere Links
LOFAR in Deutschland
www.glowconsortium.de
LOFAR ERIC
www.lofar.eu
LOFAR auf der ASTRON-Webseite
https://science.astron.nl/telescopes/lofar/