Wie Radioteleskope Signale aus dem tiefsten Weltall erfassen

Radioteleskope sehen nicht wie optische Teleskope aus, aber sie funktionieren nach dem gleichen grundlegenden Prinzip: Licht sammeln, fokussieren und analysieren. Der Unterschied liegt in der Wellenlänge. Nach Angaben des US National Radio Astronomy Observatory (NRAO) beobachten Radioteleskope Wellenlängen im Bereich von etwa 1 Millimeter bis 10 Meter – erheblich länger als die wenigen hundert Nanometer des sichtbaren Lichts. Deshalb sind ihre 'Linsen' Metallschüsseln anstatt Glas.

Ein schwaches Flüstern in nutzbare Daten umwandeln

Das NRAO beschreibt kosmische Funksignale als außerordentlich schwach und vermerkt, dass ein einzelnes Mobilfunksignal ungefähr eine Milliarde mal eine Milliarde mal mehr Leistung trägt als die schwachen kosmischen Funkwellen, die diese Teleskope zu erfassen ausgelegt sind. Um etwas Verwertbares zu erfassen, benötigt ein Radioteleskop eine große Sammelfläche und empfindliche Elektronik.

• Eine Parabolschüssel, deren gekrümmte Form einfallende Radiowellen auf einen einzelnen Fokuspunkt über sich reflektiert
• Ein Speisehorn an diesem Fokus – ein Metalltrichter, der auf die untersuchte Wellenlänge abgestimmt ist und die Wellen in den Empfänger leitet
• Ein Empfänger, oft tiefgekühlt, der das Signal erfasst und weitergeleitet
• Ein Verstärker, der das Signal vor der Aufzeichnung zur Analyse verstärkt

Teleskope verbinden: Interferometrie

Eine einzelne Schüssel kann, egal wie groß, nicht die Detailgenauigkeit erreichen, die ein optisches Teleskop bietet. Das NRAO erläutert, dass Radioastronomen dieses Problem mit Interferometrie lösen: Sie richten mehrere Antennen auf dasselbe Objekt und nutzen einen Supercomputer namens Korrelator, um ihre Signale so zu kombinieren, als stammten sie von einem einzigen Riesenteleskop. Da das gleiche kosmische Signal an jeder Antenne zu einem leicht unterschiedlichen Zeitpunkt ankommt, ermöglichen die resultierenden Zeitversätze den Astronomen, weit mehr Details zu rekonstruieren, als eine einzelne Schüssel allein erfassen könnte. Das NRAO vermerkt, dass Korrelatoren mit Femtosekunden-Geschwindigkeit laufen können – bis zu 16 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde durchführen – und dass sein Very Long Baseline Array Antennen über ganze Kontinente verteilt, synchronisiert durch Wasserstoff-Maser-Atomuhren, die auf wenige Milliardstel einer Sekunde genau sind.

Ein Schwarzes Loch mit einem erdgroßen Teleskop abbilden

Die eindrucksvollste Demonstration dieser Technik ist das Event Horizon Telescope (EHT). Nach Angaben des NRAO verbindet es acht bodengestützte Radioteleskope, die über den Globus verteilt sind und während einer Beobachtungskampagne 2017 gemeinsam tätig waren und dabei Very-Long-Baseline-Interferometrie einsetzten, sodass sie wie ein einzelnes Instrument mit etwa der Größe der Erde funktionierten. Jedes Teleskop zeichnete täglich etwa 350 Terabyte an Daten auf; die Aufzeichnungen wurden später zu spezialisierten Korrelatoren am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und am MIT Haystack Observatory geflogen, um dort kombiniert zu werden.

Das Ziel war das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87. Sein Ereignishorizont erstreckt sich über etwa 40 Milliarden Kilometer, doch von der Erde aus gemessen betrug der resultierende helle Ring um seinen Schatten nur etwa 40 Mikrobogensekunden – ein Maßstab, den das NRAO mit 'dem Vermessen der Länge einer Kreditkarte auf der Mondoberfläche' vergleicht. Die kombinierten Daten erzeugten das erste jemals aufgenommene Bild des Schattens eines Schwarzen Lochs.

Millisekündenlange Blitze aus dem Universum einfangen

Nicht jedes Radioteleskop verlässt sich auf eine Schüssel. CHIME, das Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment am Dominion Radio Astrophysical Observatory in Britisch-Kolumbien, nutzt nach Angaben von MIT Physics vier feste, halbkreisförmige zylindrische Reflektoren ohne bewegliche Teile. Statt über Steuerungshardware verarbeitet sein Korrelator etwa 7 Terabit Daten pro Sekunde, um Signale digital zu rekonstruieren, die aus Tausenden von Richtungen am Himmel gleichzeitig eintreffen.

Dieses Design machte CHIME außergewöhnlich effektiv beim Erfassen schneller Funkausbrüche (FRBs) – millisekündenlange Blitze von Funkenergie aus dem tiefsten All. In seinem ersten Betriebsjahr 2018–2019 entdeckte CHIME 535 neue FRBs, fast vervierfachte damit die etwa 140 bis dahin weltweit bekannten Ausbrüche, wie MIT Physics berichtete. Die Ausbeute umfasste 18 Quellen, die wiederholt ausbrachen – ein Muster, das darauf hindeutete, dass sich wiederholende und einmalige FRBs möglicherweise aus unterschiedlichen astrophysikalischen Mechanismen entstehen.

Das größte Radioteleskop der Welt und die Zukunft

Chinas Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST), das in einem natürlichen Tal in der Provinz Guizhou erbaut wurde, verfügt über eine 500-Meter-Schüssel aus etwa 4.400 einstellbaren Aluminiumpanelen, was ihm eine effektive Apertur von etwa 300 Metern zu jedem gegebenen Zeitpunkt ergibt, nach EarthSky. Es beobachtet Wellenlängen von 10 Zentimetern bis 4,3 Metern und weist etwa die doppelte Sammelfläche der 305-Meter-Arecibo-Schüssel auf, die es an Größe überholte. FAST wurde im Januar 2020 vollständig betriebsfähig und begann im August 2021, etwa 10 Prozent seiner Beobachtungszeit für internationale Forscher freizugeben.

Diese Empfindlichkeit hat zu einem Rekord bei der Entdeckung von Pulsaren geführt – schnell rotierenden Neutronensternen, die Funkstrahlenbündel wie ein Leuchtturm an der Erde vorbei fegen. Im Oktober 2025 hatte FAST 1.152 Pulsare identifiziert, mehr als die kombinierte Gesamtzahl, die andere Teleskope weltweit im gleichen Zeitraum gefunden haben, wie der chinesische Rundfunk CGTN berichtete.

Der nächste Schritt in größerer Dimension ist bereits in Bau. Das SKA Observatory erbaut zwei komplementäre Arrays, nach seiner eigenen Projektbeschreibung: SKA-Low in Westaustralien mit 131.072 Antennen, die über eine maximale Basislinie von 74 Kilometern verteilt sind, und SKA-Mid in Südafrika mit 197 Dish-Antennen, die sich über eine maximale Basislinie von 150 Kilometern erstrecken. Die beiden Standorte sollen Astronomen gemeinsam ermöglichen, Galaxienstruktur, die Umgebungen um Schwarze Löcher und Gravitationswellen mit größerer Genauigkeit zu untersuchen, als bestehende Instrumente dies erlauben.