Radioastronomi, rymdfysik och datakommunikation har en hel del gemensamt. Ett genombrott på ett område knuffar genast de andra framåt. Stora, billiga antennmattor har ersatt de bångliga parabolantennerna i sökandet efter universums gränser och nya, avancerade radiomottagare har möjliggjort helt nya användningsområden för antennerna. Radioastronomerna menar att det är som att gå från svartvitt till färg.
Den infällda bilden gör just nu sitt segertåg genom den radioastronomiska världen. Det är den mest högupplösta bilden hittills av kvasaren 3C 196 tagen i bandet 30-80 MHz. Använder man bara de fem LOFAR-teleskopen i Holland får man den suddiga ”bollen” till vänster, men när man korrelerar med tre teleskop i Effelsberg i Tyskland 150 km bort kan man lösa upp objektet i sina delar (www.mpifr-bonn.mpg.de/public/pr/pr-3c196-en.html). Framtiden lovar gott eftersom antennen kommer att utvidgas till Ukraina och Växjö. Bakgrundsbilden står rymdteleskopet Planck för. Den är helt ny och visar hela radiohimlen i millimetervågor.
Datorfolket suktar ständigt efter mera bandbredd och en upptäckt på nobelprisnivå lovar datalänkar med oanad kapacitet. De nya upptäckterna är faktiskt den första praktiska tillämpningen av kvantfysik för datorer. Håller tekniken vad den lovar kommer såväl fysiker som vanliga datoranvändare att bli väldigt glada framöver.
Vårt sökande efter fakta leder oss till Institutet för Rymdfysik (IRF) i Uppsala. Vi talar med Professor Bo Thidé, en man med ett antal äss i rockärmen.
– Vad sysslar en rymdfysiker med? Vi hade tänkt använda ordet ”radioastronom” men blir snabbt tillrättavisade.
– Vi kallar det för ”radiometoder att studera rymden” eller rymdfysik. Vi rymdfysiker studerar allt från den övre atmosfären till Solen, och vi använder radioastronomiska metoder för att studera växelspelet mellan den omgivande rymden och vår egen planet. På IRF har vi själva bidragit till att införa nya metoder. Ta till exempel samspelet mellan LOFAR och LOIS där LOFAR är byggd för konventionell radioastronomi medan LOIS har optimerats för rymd- och solfysik. Vi har förbättrat både tekniken, elektroniken och mjukvaran och framför allt fördjupat kunskaperna om den elektromagnetiska fältteorin så att vi klämma ut mer och bättre information ur det data vi samlar in.
Professor Bo Thidé vid IRF i Uppsala har kvantfysik och radio som sin specialitet.
Rymdfysiken hanterar ett område ut till några astronomiska enheter (AU) från Jorden, alltså ett område dit vi kan färdas med rymdskepp för att verifiera teorierna. Faktum är att vi redan är där ute eftersom IRF är väldigt framstående på satellitburna instrument som söker efter plasmaeffekter, elektriska fält mm i rymden. IRFs instrument finns med på de flesta rymdsonder från USA, Indien, Europa och Japan och har redan varit på platser som Månen, Mars och Jupiter.
LOFAR
När någon säger radioastronomi så tänker du kanske på stora mikrovågsantenner långt borta i en främmande öken som ger suddiga, otydbara bilder av en galax någonstans. Det är passé. Väldigt passé.
En symbolisk karta över LOFAR-LOIS-samarbetet som det ska se ut när LOIS är färdigutbyggt. LOAFR forstätter att ”erövra” hela Europa.
En anledning till att radioastronomerna hittills fått hålla sig till mikrovågsområdet är att det bara går att bygga tillräckligt bra riktantenner vid dessa frekvenser, med rimliga medel. Men det är vid de låga frekvenserna, nedåt 10 megahertz, som de verkligt intressanta fenomenen strålar, som pulsarer och spinnande svarta hål. Radioastronomi vid låga frekvenser öppnar också nya möjligheter att förutsäga rymdväder, som soleruptioner och annat som orsakar störningar här på Jorden.
Idag kan man bygga godtyckligt stora antenner i form av matriser eller hela farmer av dipoler och synka ihop dem med superdatorer i realtid. Det vänder på steken om mikrovågorna och idag är radioastronomi i frekvensområdet ända ner till cirka 10 MHz (där jonosfären sätter stopp) fullt möjlig. Inom detta område finns inte bara hittills outforskade radiokällor i rymden utan också mängder av markbundna störningskällor som måste filtreras bort, men även det klarar datorerna elegant.
Med många antennelement kan man konstruera en syntetisk, stor antenn i programvara, med godtycklig riktverkan. Det används redan vid syntetisk aperturradar och amdra former av syntetiska radarantenner, sk Phased Array-antenner där många små sändande element tillsammans kan fasstyras till att bilda en eller flera strålningslober av godtycklig form, och kasta dem hur som helst över himlen på noll sekunder för exempelvis Early Warning-radarer.
LOIS och LOFAR-systemen är snarlika. Ingångsdelen består av ett antal dipol/tripol-mattor frekvensbegränsade till ett område under, respektive över FM-bandet (88-108 MHz), eftersom detta stör så mycket. Övre gränsfrekvensen är dock 250 MHz för LOFAR och 500 MHz för LOIS. I LOFAR-fallet drar man koax från antennerna till undercentralen där mottagarna sitter, medan mottagarna sitter ute vid varje tripol i LOIS på grund av den mycket högre dynamiken, med risk för läck i koaxen. I LOIS kommer data in till undercentralen som färdigkorrelerade digitala sample. Från understationerna, som för LOFAR befinner sig i hela Europa, eller LOIS i Sverige och Polen, dras data via ett höghastighets-WAN (10 Gbps eller mer) till en central bearbetningsdator för att tidskorreleras, för LOFAR en IBM Blue Gene, för LOIS en IBM System S, varefter det korrelerade datat mellanlagras. Det är nu upp till varje forskare att göra sina egna beräkningar, skapa virtuella antennriktningar och försöka hitta OAM-fenomen i data.
I Holland är det nederländska institutet för radioastronomi Astron igång med ett 30-tal antennfarmer i ett system kallat LOFAR (LOw Frequency ARray). Det består av flera fält med hundratals antenner, antennarrayer, utspridda över Holland och Tyskland. Arrayer är också på gång i Frankrike, Sverige (Onsala), Skottland, Polen och Ukraina. Antennens samlade öppningsarea blir en större del av Europas hela landmassa.
Antennerna är ganska enkla och var och en av dem är försedd med en digital mottagare som tar sample av den mottagna signalen med nanosekundmellanrum. Genom att analysera allt insamlat data kan man skapa en ”smart digital kamera”.
LOFAR tar emot från 30 till 240 megahertz. Man hade hoppats komma ned till 10 megahertz, men som mottagarnas storsignalkapacitet är just nu klarar man inte störningarna under 30 MHz. Detta är ett bakslag.
