FAST (Radioteleskop)

Teleskop FAST (Radioteleskop) 五百米口径球面射电望远镜
FAST, vor der Installation der Instrumentenplattform
Typ	Radioteleskop
Standort	Pingtang, Guizhou, China
Geogra­fi­sche Koor­di­naten	25° 39′ 9″ N, 106° 51′ 24,1″ O25.6525106.8567Koordinaten: 25° 39′ 9″ N, 106° 51′ 24,1″ O
Wellenlänge	0,1 m – 4 m (Stand 2019)
Apertur	300 m
Bauzeit	2011–2016
Inbetriebnahme	Juli 2016 – September 2019
Besonderheit	flächenmäßig größtes Radioteleskop der Welt

FAST (chinesisch 五百米口徑球面射電望遠鏡 / 五百米口径球面射电望远镜, Pinyin wǔbǎi mǐ kǒujìng qiúmiàn shèdiàn wàngyuǎnjìng, englisch Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope), Spitzname Tianyan (天眼, tiānyǎn – „Himmelsauge“) ist ein Radio­teleskop der Nationalen Astronomischen Observatorien der Chinesi­schen Akademie der Wissenschaften in der Großgemeinde Kedu im Kreis Pingtang der Provinz Guizhou im Südwesten Chinas. Mit rund 520 Meter Hauptspiegeldurchmesser ist es gegenwärtig das weltweit größte Radioteleskop. Die Bezeichnung „FAST“ ist ein Apro­nym. „Fast“ ist auch ein Begriff für Objektive mit großer Apertur.

Baugeschichte

Das Teleskop wurde ab 2011 in einer Karstmulde errichtet. Die 9110 im Umkreis von fünf Kilometern lebenden Einwohner wurden umgesiedelt, um elektromagnetische Störungen zu vermeiden. Die Baukosten betrugen 1,2 Milliarden Yuan, umgerechnet etwa 160 Millionen Euro. Der Probebetrieb wurde mit drei Jahren veranschlagt und dauerte von Juli 2016 bis September 2019. Dabei wurden bereits über hundert Pulsare entdeckt. Die Endabnahme und offizielle Inbetriebnahme fand am 11. Januar 2020 statt. Seit dem 31. März 2021 werden 10 bis 15 % der gesamten Beobachtungszeit von 5300 Stunden pro Jahr international vergeben. Nach Bekanntgabe der Öffnung für ausländische Wissenschaftler erhielten die Nationalen Astronomischen Observatorien (die Betreiber des Teleskops) diesbezügliche Anträge für insgesamt 7216 Stunden Beobachtungszeit. Nach Sichtung der Anträge wurden 27 internationale Forschungsvorhaben mit 14 beteiligten Ländern genehmigt, im August 2021 begannen die Beobachtungsarbeiten.

Funktionsweise

FAST hat einen verformbaren, annähernd sphärischen Hauptspiegel, der in der natürlichen Geländemulde hängt. Von dem Hauptspiegel wird nur der Bereich, der auf die jeweils zu untersuchende Himmelsregion gerichtet ist, zum Empfang der Radiowellen genutzt. Dieser Bereich hat einen Durchmesser von 300 m und wird zur Vermeidung von sphärischer Aberration dynamisch zu einem Parabolspiegel verformt. Ein darüber befindlicher Empfänger wird durch eine Seilaufhängung in den Fokus des Parabolspiegels positioniert. Dieser Aufbau ermöglicht ohne die Verwendung eines Schwenkmechanismus Beobachtungen von Himmelsregionen bis 40° Zenitdistanz.

Das Teleskop ist zunächst für den Frequenzbereich von 70 MHz bis 3 GHz ausgelegt, später soll es bis 8 GHz arbeiten. Im L-Band ergibt sich eine Winkelauflösung von 2,8 Bogenminuten.

Aufbau

FAST 2020 (Video 3:11 min)

Ein etwa horizontal liegender Gitterrohrring wird von etwa 70 senkrecht stehenden prismatischen Masten getragen, die unterschiedliche Höhen im Geländeniveau ausgleichen. Dieser Ring hält ein unter der Schwerkraft durchhängendes Seilnetz. Dieses Stahlseilnetz trägt 4450 dreieckige steife reflektierende Flächenelemente (reflective panels), die zusammen einen etwa sphärischen Spiegel mit 300 m Krümmungsradius formen. Diese dreieckigen Paneele haben 11 m Seitenlänge und bestehen aus einer tragenden Gitterrohrkonstruktion, auf der ein Gitterrost von etwa 1 cm Rastermaß liegt, viel kleiner als die kleinste zu reflektierende Wellenlänge von 10 cm (3 GHz). Von den Knoten des Stahlseilnetzes führen Zugseile zu etwas mehr als 2200 am Boden verankerten Aktuatoren zur dynamischen Verformung des Spiegels.

Die Fokuskabine hängt an Seilen, die an sechs um die Schüssel verteilten Masten befestigt sind. Durch Seilzüge wird sie grob positioniert und in Blickrichtung ausgerichtet. In der Kabine befindet sich eine millimetergenau stabilisierte Plattform und darauf (zunächst) 19 Detektoren mit Hornantennen für den Bereich 1,05–1,45 GHz (L-Band) auf einer beweglichen Plattform. Die Lage von Kabine und Detektorplattform wird mit sechs Lasern erfasst. Der Öffnungswinkel der Detektoren begrenzt die wirksame Apertur des Teleskops auf 300 m. Auf dieser Fläche, die etwa 1000 Knoten des Stahlseilnetzes umfasst und mit der Blickrichtung wandert, wird der Spiegel durch die Aktuatoren in Parabelform gebracht. Dafür reicht ein Hub von 67 cm. Die Position der Knoten wird durch neun Messkameras millimetergenau erfasst.

Die Reflektorfläche kann für Wartungsarbeiten betreten werden. Dafür benutzen die Techniker jedoch einen Heliumballon von 7,6 m Durchmesser, der ihr Körpergewicht stark kompensiert, jedoch windempfindlich macht.

• FAST-Aufbau

Ergebnisse

Einer der Forschungsschwerpunkte am FAST ist die Suche nach Pulsaren; bis Juli 2023 hatte man mehr als 800 dieser Sterne entdeckt. Eine Forschergruppe unter der Leitung des kirgisischen Pulsar-Spezialisten Li Kejia (李柯伽, * 1980) vom Kavli-Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Peking untersuchte unter anderem 15 Fast Radio Bursts der am 1. März 2018 am Parkes-Observatorium entdeckten Quelle FRB 180301 und kam dabei zu der Erkenntnis, dass die bei sieben dieser Radioblitze beobachteten Änderungen der Polarisationsebene auf Mechanismen in der Magnetosphäre des Pulsars zurückzuführen sind. Pulsare, die ihre Signale mit einer hohen Präzision aussenden, eignen sich auch zum Nachweis von Gravitationswellen, da diese für eine leichte Frequenzverschiebung der Pulsarsignale sorgen. Gravitationswellen, wie sie zum Beispiel bei der Interaktion von zwei Schwarzen Löchern entstehen, haben eine Frequenz im Nanohertz-Bereich, was einer Wiederholungsrate von mehreren Jahren entspricht. Da das FAST erst am 11. Januar 2020 den Regelbetrieb aufnahm, verfügt man im Vergleich zu Einrichtungen in den USA und Europa über deutlich weniger Datenmaterial. Der Vorteil von FAST ist dagegen seine hohe Präzision. Die Wissenschaftler um Li Kejia analysierten die Daten von 57 über einen Zeitraum von drei Jahren und fünf Monaten beobachteten Millisekundenpulsaren und konnten so tatsächlich Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich nachweisen. Am 29. Juni 2023 veröffentlichten sie ihre Ergebnisse – zeitgleich mit Forschern aus anderen Ländern – in der Fachzeitschrift Research in Astronomy and Astrophysics.

In Kooperation mit dem Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment wurde mit dem FAST die Einstrahlung des galaktischen Magnetars SGR 1935+2154 in mehreren Frequenzbereichen zwischen 400 und 800 MHz gemessen, wobei man auf eine emittierte Energie von 3•10²⁷ Joule kam, drei Größenordnungen mehr als bei den bisher beobachteten Magnetaren. Dies stellte einen wichtigen Beitrag zu der Diskussion um Magnetar-Modelle dar.

Eine Gruppe von Forschern um Li Di (李菂, * 1972), seit Oktober 2018 Chefwissenschaftler des Teleskops, entwickelte die sogenannte H-I-Selbstabsorptionstechnik (H I narrow self-absorption bzw. HINSA), mit der in H-I-Gebieten der Übergang von atomarem, nicht ionisiertem Wasserstoff (H I) zu molekularem Wasserstoff (H₂) beobachtet werden kann. Als sie damit den prästellaren Kern L1544 in der Taurus-Molekülwolke beobachteten, entdeckten sie dabei über den Zeeman-Effekt ein Magnetfeld mit einer Feldstärke von 3,8 Mikrogauß. Dies war drei- bis viermal schwächer, als es das Standardmodell zur Sternentstehung vorhersagt. Am 5. Januar 2022 veröffentlichten die Wissenschaftler ihre Ergebnisse in der britischen Fachzeitschrift Nature.

Vom 1. April bis 11. Juni 2021 beobachtete die Gruppe um Li Kejia den wiederholenden Fast Radio Burst FRB 20201124A in der Galaxie SDSS J050803.48 + 260338.0. Während dieser Zeit registrierten sie 1863 Röntgenblitze, die neben einer erstmals bei wiederholenden Fast Radio Bursts beobachteten zirkularen Polarisation einen großen Unterschied beim Maß der Feldstärkenänderungen während der ersten 36 Tage und danach zeigten. Als mögliche Erklärung schlagen die Wissenschaftler vor, dass es sich bei der Radioquelle um ein Doppelsystem aus einen Magnetar handeln könnte, der um einen Be-Stern kreist, wobei das Signal je nachdem, an welcher Stelle seiner Umlaufbahn sich der Magnetar befindet, durch die Dekretionsscheibe des Be-Sterns unterschiedlich stark gestört wird.

Eine Gruppe um Pan Zhichen (潘之辰, * 1988) von den Nationalen Astronomischen Observatorien konnte nach längerer Beobachtung des am FAST im Kugelsternhaufen Messier 71 entdeckten Doppelsternsystems PSR J1953+1844 bestätigen, dass der dortige Pulsar von seinem Begleitstern in nur 53,3 Minuten umkreist wird – die kürzeste bislang bekannte Umlaufzeit in einem derartigen System.Pan Zhichen und seine Kollegen kamen zu dem Schluss, dass es sich hierbei um eine Zwischenstufe beim Übergang von einem sogenannten „Redback“, also einem von einem Roten Zwerg umkreisten Pulsar zu einer „Schwarze Witwe“ handelt. Die Existenz derartiger Übergangssysteme war seit längerer Zeit vermutet worden und konnte nun erstmals nachgewiesen werden.

Nach anderthalbjähriger Vorbereitung begannen chinesische Radioastronomen Anfang 2020, das Teleskop für die Suche nach intelligenten Signalen außerirdischer Zivilisationen (SETI) zu nutzen. Koordiniert wird diese von der von Zhang Tongjie (张同杰) geleiteten Forschungsgruppe für Kosmologie und außerirdische Zivilisationen (宇宙学与地外文明研究团组) an der Fakultät für Astronomie der Pädagogischen Universität Peking.

Literatur

chronologisch aufsteigend

• Rendong Nan u. a.: The Five-Hundred-Meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) Project. International Journal of Modern Physics D 20, 2011, doi:10.1142/S0218271811019335, arxiv:1105.3794.
• Hans Jürgen Kärcher, Hui Li, Rendong Nan: Die Stahlkonstruktion des 500-m-Radioteleskops FAST. Stahlbau 85, 2016, Heft 6, S. 375–379, doi:10.1002/stab.201610385.
• Rendong Nan: The sky eye – five-hundred-meter aperture spherical radio telescope (FAST). Springer, Singapore 2021, ISBN 978-981-16-3823-7.

Siehe auch

• Arecibo-Observatorium
• Liste der Radioteleskope und Forschungsfunkstellen

Weblinks

Commons: FAST – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Offizielle Website (chinesisch, englisch)
• Offizielle Website – Projekt FAST (chinesisch, englisch)
• Olivia Chan: China is building the world’s biggest radio telescope that’s the equivalent of 30 football pitches so it can ‘listen to the UNIVERSE’. In: dailymail.co.uk. Daily Mail, 28. Juli 2015; abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch, Bildbericht von der Baustelle). 
• Robert Williams: Five-Hundred Meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST). Cable-Suspended Robot Model and Comparison with the Arecibo Observatory. (PDF; 1,84 MB) In: ohio.edu. Ohio University, November 2015; abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch, Alternativquelle). 

Einzelnachweise

1. Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST). In: nao.cas.cn. 14. September 2020, abgerufen am 10. Januar 2022 (englisch). 
2. Michael Zhang: Carl Zeiss Super-Q-Gigantar 40 mm f/0.33: The Fastest Lens Ever Made? In: petapixel.com. 6. August 2013, abgerufen am 8. Januar 2022 (englisch). 
3. Martin Holland: FAST: Weltweit größtes Radioteleskop nimmt in China Arbeit auf. In: heise.de. heise online, 26. September 2016, abgerufen am 6. Januar 2021.  Im Südwesten Chinas hat das mit Abstand größte Radioteleskop der Welt nun seine Arbeit aufgenommen. Die riesige Schüssel des Observatoriums liegt in einem Tal in der Provinz Guizhou und soll auf Jahrzehnte hinaus unangefochten bleiben.
4. China to Relocate 9,110 for World’s Largest Radio Telescope. In: english.cri.cn. China Radio International, 16. Februar 2016, archiviert vom Original am 20. Februar 2016; abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch). 
5. In: Xinhua.net.com. 3. Juli 2016, archiviert vom Original am 3. Juli 2016; abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch). 
6. Rebecca Morelle: China’s colossal radio telescope begins testing. In: BBC.com. 25. September 2016, abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch). 
7. Elizabeth Gibney: Gigantic Chinese telescope opens to astronomers worldwide. In: nature.com. 24. September 2019, abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch). 
8. 中国天眼”通过国家验收 – Chinas „Himmelsauge“ hat die staatliche Überprüfung und bauliche Abnahme bestanden. In: cnsa.gov.cn. 13. Januar 2020, abgerufen am 6. Januar 2021 (chinesisch, Ursprungsquelle 科技日报 – „Technology Daily“). 
9. Ling Xin: Stars may form 10 times faster than thought – Weak magnetic fields detected by China’s FAST telescope could upend theory of star formation. Science (News), 2022, doi:10.1126/science.acz9950.
10. 王莹: FAST系列重要科学成果对外公布. In: cnsa.gov.cn. 6. Januar 2022, abgerufen am 9. Januar 2022 (chinesisch).  Das zweite Foto von unten zeigt die Unterseite der Kabine mit den 19 Detektoren.
11. “天眼”要做“眼保健操”吗？. In: cnsa.gov.cn. 4. Februar 2021, abgerufen am 20. Februar 2021 (chinesisch). 
12. Jiang Peng et al.: The Fundamental Performance of FAST with 19-beam Receiver at L Band. In: arxiv.org. 5. Februar 2020, abgerufen am 9. Januar 2022 (englisch). 
13. “中国天眼”进入成果爆发期. In: cnsa.gov.cn. 26. Juli 2023, abgerufen am 26. Juli 2023 (chinesisch). 
14. 李柯伽. In: xao.cas.cn. 12. Februar 2015, abgerufen am 6. Januar 2021 (chinesisch). 
15. Kejia Lee (李柯伽). In: kiaa.pku.edu.cn. Abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch). 
16. Danny Price et al.: A Fast Radio Burst with frequency-dependent polarization detected during Breakthrough Listen observations. In: arxiv.org. 22. Januar 2019, abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch). 
17. Jerome Pétri: Theory of pulsar magnetosphere and wind. In: arxiv.org. 17. August 2016, abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch). 
18. Luo Rui et al.: Diverse polarization angle swings from a repeating fast radio burst source. In: nature.com. 28. Oktober 2020, abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch). 
19. 中国天眼发现纳赫兹引力波存在的关键性证据（科技自立自强）. In: baijiahao.baidu.com. 30. Juni 2023, abgerufen am 30. Juni 2023 (chinesisch). 
20. “中国天眼”发现纳赫兹引力波存在的关键证据. In: gov.cn. 29. Juni 2023, abgerufen am 30. Juni 2023 (chinesisch). 
21. B. C. Andersen et al.: A bright millisecond-duration radio burst from a Galactic magnetar. In: nature.com. 4. November 2020, abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch). 
22. Nadja Podbregar: Erster Extrem-Radioblitz aus unserer Milchstraße. In: scinexx.de. 5. November 2020, abgerufen am 6. Januar 2021. 
23. Renmingwang – 人民网 (Ursprungsquelle): 中国天眼FAST获重大成果 明年将向世界开放. In: cnsa.gov.cn. 6. November 2020, abgerufen am 6. Januar 2021 (chinesisch). 
24. 李菂. In: people.ucas.edu.cn. Abgerufen am 10. Januar 2022 (chinesisch). 
25. Taurus Molecular Cloud. In: sci.esa.int. 9. Oktober 2012, abgerufen am 10. Januar 2022 (englisch). 
26. Li Di et al.: An early transition to magnetic supercriticality in star formation. In: nature.com. 5. Januar 2022, abgerufen am 10. Januar 2022 (englisch). 
27. 中国天眼，重大发现！ In: cnsa.gov.cn. 26. September 2022, abgerufen am 27. September 2022 (chinesisch). 
28. Lee Kejia et al.: A fast radio burst source at a complex magnetized site in a barred galaxy. In: nature.com. 21. September 2022, abgerufen am 27. September 2022 (englisch). 
29. Wang Fayin et al.: Repeating fast radio burst 20201124A originates from a magnetar/Be star binary. In: nature.com. 21. September 2022, abgerufen am 27. September 2022 (englisch). 
30. Becky Ferreira: Scientists Think They’ve Solved the Mystery of a Bizarre Repeating Radio Signal from Space. In: vice.com. 21. September 2022, abgerufen am 27. September 2022 (englisch). 
31. 潘之辰. In: nao.cas.cn. Abgerufen am 26. Juli 2023 (chinesisch). 
32. Pan Zhichen et al.: A Binary Pulsar in a 53-minute Orbit. In: nature.com. 20. Juni 2023, abgerufen am 26. Juli 2023 (englisch). 
33. 任霄鹏: 中国天眼FAST发现迄今轨道周期最短脉冲星系统. In: cas.cn. 21. Juni 2023, abgerufen am 26. Juli 2023 (chinesisch). 
34. Lei Qian: Fast and SETI. In: ui.adsabs.harvard.edu. 14. Juli 2018, abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch). 
35. Zhang Zhisong et al.: First SETI Observations with China’s Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST). In: arxiv.org. 6. Februar 2020, abgerufen am 6. Januar 2021 (englisch). 
36. 刘义阳: 搜寻地外文明，"中国天眼”发现可疑信号". In: weixin.qq.com. 14. Juni 2022, abgerufen am 14. Juni 2022 (chinesisch). 
37. 张同杰. In: astro.bnu.edu.cn. 25. September 2020, abgerufen am 14. Juni 2022 (chinesisch). 
38. 张志嵩、张同杰: 基于FAST望远镜的地外文明共时观测. In: jdse.bit.edu.cn. 10. August 2020, abgerufen am 9. August 2023 (chinesisch).