MacMalschman: Radioteleskop LOFAR

Executive Summary

Eine internationale Forschergruppe hat nach über zehn Jahren Beobachtung mit dem niederländischen Radioteleskop LOFAR (LOw Frequency ARray) die bislang umfangreichste Radio-Himmelsdurchmusterung vorgelegt. In der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics berichten Shimwell et al. (2026) über die LoTSS Data Release 3, in der 13,7 Millionen Radioquellen im Norden des Himmels bei 120–168 MHz erfasst wurden[1][2]. Diese Datensätze umfassen 12.950 Stunden Beobachtungszeit (≈10,5 Jahre) und 18,6 Petabyte Rohdaten, verarbeitet mit vollautomatisierten Kalibrierungs- und Bildgebungs-Pipelines auf Supercomputern (u. a. JUWELS am Jülich Supercomputing Centre)[3][4]. Die Himmelskarte erreicht eine Winkelauflösung von 6″ (9″ unter 10° Deklination) und mittlere Empfindlichkeit 92 µJy/Beam[5][2]. Neben über 13,7 Millionen galaktischen Quellen (v.a. Sternentstehungsgalaxien und aktive Galaxienkerne) wurden seltene Objekte katalogisiert – etwa verschmelzende Galaxienhaufen, schwache Supernova-Überreste und Sterne mit starker Radioaktivität[6][7]. Die Daten sind öffentlich zugänglich (Kataloge, Bild-Mosaike, Rohdaten)[8][9] und bieten neue Einblicke in kosmische Magnetfelder, Teilchenbeschleunigung und die großräumige Galaxienverteilung. Dieser Artikel fasst Hintergrund, Methoden und Ergebnisse der LoTSS-DR3 vor dem wissenschaftlich interessierten Laien zusammen.

Hintergrund: LOFAR und Radio-Himmelsdurchmusterungen

LOFAR ist ein innovatives Niedrigfrequenz-Radioteleskop, das aus Tausenden einfacher Antennenelemente in Europa besteht. Die Signale aller Antennen werden über Glasfasernetze zusammengeführt und mithilfe von Supercomputern interferometrisch ausgewertet[10]. Im Gegensatz zu optischen Teleskopen „hört“ LOFAR Radiowellen im Bereich von etwa 10–250 MHz (für LoTSS: 120–168 MHz), wodurch Phänomene sichtbar werden, die im optischen Licht unsichtbar sind – etwa schwache Magnetfelder, kosmische Jets von Schwarzen Löchern und Supernova-Überreste[11][12]. Die LOFAR Two-metre Sky Survey (LoTSS) wurde initiiert, um den Nordhimmel großflächig bei ~150 MHz zu kartieren. Nach früheren Teilveröffentlichungen (z. B. DR1, DR2) liegt nun die dritte Datenfreigabe vor. Historisch gesehen folgt LoTSS auf andere Radio-Umfragen wie NVSS (1,4 GHz, 45″, 1,8 Mio Quellen)[13], FIRST (1,4 GHz, 5″, 0,95 Mio Quellen)[14], TGSS-ADR1 (150 MHz, 25″, 0,62 Mio Quellen)[15] oder VLASS (2–4 GHz, 2,5″, laufend, Ziel ∼69 µJy Rauschen)[16]. Im Vergleich erreicht LoTSS eine höhere Quellenanzahl bei tieferem Flux-Limit und feineren Details (siehe Tabelle unten).

LOFAR-Beobachtungen und Survey-Charakteristika

Mehr als 12.950 Stunden LOFAR-HBA-Beobachtungen wurden zwischen etwa 2014 und 2024 über 19.035 deg² (≈88 % des Nordhimmels) gesammelt[17][2]. Der Beobachtungsfrequenzbereich war 120–168 MHz mit Zentralfrequenz 144 MHz[17]. Die resultierenden Radiobilder (Stokes I) wurden zunächst feldweise kalibriert, um Instrumenteinstellungen und ionosphärische Verzerrungen zu korrigieren[18]. Anschließend kombinierte man die Bilder mosaikartig, wobei in den 6″-Auflösungskarten ein medianes RMS-Rauschen von etwa 92 µJy/Beam erreicht wurde[19][20]. Insgesamt entstand ein Quellenkatalog mit 13 667 877 Radioquellen (entsprechend 16 943 656 Gauß-Komponenten)[21][22]. Da die Datentiefe neu ist, wurden viele Objekte zum ersten Mal entdeckt. Beispielsweise erfasst LoTSS-DR3 nahezu alle kompakten Quellen mit Integrated-Flux >9×RMS (95 % Vollständigkeit)[20]. Die astrometrische Genauigkeit liegt bei ≈0,24″, die Systematik im Flusswert um ~2 %[23].

Datenverarbeitung: Kalibrierung und Hochleistungsrechnen

Die riesige Datenmenge (18,6 PB Rohdaten) erforderte komplexe Automatisierung und verteilte Superrechnerkapazität[24][4]. Die Arbeitsabläufe (Pipelines) bestehen aus einem vorpräfaktorisierten («direction-independent») und einem nachfolgend «direction-dependent» Kalibrierungs-Schritt, um zeitvariable ionosphärische Effekte zu korrigieren[18]. Dabei kommen etablierte Software-Werkzeuge zum Einsatz (z. B. Prefactor für erste Kalibrierung, killMS/DDFacet für Richtungskalibrierung und Imaging, WSClean für breite Feld-Bilder). Trotz teilweiser manueller Qualitätskontrolle laufen die Prozesse hochautomatisiert. Für die Auswertung wurden mehrere Supercomputer genutzt: Herausragend ist hier der JUWELS-Supercomputer am Jülich Supercomputing Centre (JSC), einer der schnellsten Rechner Europas. LOFAR-Daten (insbesondere die zahlreichen vis-Data) wurden dort abgelegt und verarbeitet. Cristina Manzano (JSC) hebt hervor, dass erstmals innerhalb eines Astronomieprojekts solche Datenmengen (terabytesweise pro Beobachtungsfeld) gespeichert und parallel verarbeitet wurden[4]. Insgesamt benötigte man über viele Jahre ~20 Millionen Kernstunden Rechenzeit, um die 13.000 Beobachtungsstunden durchzurechnen[24]. Parallel wurden Störquellen (RFI) vorverarbeitet und ausgesiebt, und aufwändige Ionosphärenkorrekturen implementiert. Letztlich konnte so eine beispiellose Bildqualität erzielt werden.

Ergebnisse: Quellenkatalog und Objekttypen

Die LoTSS-DR3-Durchmusterung liefert den umfassendsten Radioquellen-Katalog aller Zeiten. Sie enthält 13,7 Millionen Quellen im Norden des Himmels[1][25]. Das sind zumeist Galaxien, in denen entweder neue Sterne gebildet werden oder im Galaxienkern ein supermassives Schwarzes Loch Radiostrahlung emittiert (sogenannte „aktive Galaxien“). Durch die hohe Empfindlichkeit und Auflösung finden sich aber auch viele schwer fassbare, seltene Objekte. Beispielsweise entdeckte das Team verschmelzende Galaxienhaufen (diffuse Radiohalos), schwache Supernova-Überreste in unserer Milchstraße und hochenergetische Jets von Schwarzen Löchern in fernen Galaxien[6][7]. Auch magnetische Phänomene erscheinen deutlicher: Schockwellen in Gaswolken beschleunigen geladene Teilchen, was die breite Radioabbildung erklärt. Die neue Radiokarte ermöglicht daher diverse Detailstudien – von Regionen intensiver Sternentstehung bis hin zu kosmischen Magnetfeldern.

Abb. 1: Radioaufnahme des Galaxienhaufens Abell 1314. Die Graustufen zeigen das optische Bild, die orangen Bereiche LOFAR-Radiostrahlung (150 MHz) von Galaxien und Jets. LOFAR macht solche riesigen Strukturen sichtbar, die optisch kaum erkennbar sind[26].

Die Forscher des LoTSS-Projekts haben die Quellen klassifiziert: Über 95 % sind kompakte Galaxien (viele mit aktiven Kernen), dazu kommen diffuse Strukturen in Galaxienhaufen und in der Milchstraße. Dominik Schwarz (Uni Bielefeld) betont, dass gerade die Gesamtstatistik von 13,7 Mio Quellen kosmologische Rückschlüsse erlaubt: Aus der Verteilung und Dichte der Radioquellen lassen sich Fragen der Galaxienentwicklung und selbst kosmologische Parameter adressieren (z. B. Hubble-Konstante, dunkle Energie)[27][28]. Aus früheren DR2-Daten (2022) zeigte sich bereits, dass LoTSS für solche Studien sehr gut geeignet ist. Jetzt verspricht die verbesserte Statistik noch verlässlichere Ergebnisse.

Abb. 2: Infrarot-optisches Bild der Radiogalaxie NGC 326 (Grau) mit LOFAR-Radioemission (gelb). NGC 326 ist ein Beispiel für eine aktive Galaxie mit ausgeprägten Jets[29]. Ähnliche Strukturen sind im LoTSS-Katalog viele Millionen Mal zu finden.

Technische Details und Vergleich zu früheren Umfragen

Die LoTSS-DR3-Karte deckt 120–168 MHz ab – ein Frequenzbereich, in dem lange Wellenlängen und kosmische Magnetfelder stark dominieren. Mit 6″ Winkelauflösung (9″ bei niedriger Deklination) und 92 µJy/Beam Rauschen erreicht sie bisher unerreichte Detailtiefe. Zum Vergleich: Die NVSS-Survey (1,4 GHz, 45″, 0,45 mJy RMS) erfasste 1,8 Mio Quellen[13], die FIRST-Survey (1,4 GHz, 5″, ~0,15 mJy) ~0,95 Mio Quellen[14]. Die TGSS-ADR1 (150 MHz, 25″, ~3,5 mJy RMS) listete 0,62 Mio Quellen[15]. Die laufende VLASS (2–4 GHz, 2,5″, 69 µJy Ziel) wird einmal 33.885 deg² abdecken, erreichte bisher aber niedrigeres Flächenabbild. In allen Parametern – Quellezahl, Tiefenempfindlichkeit und Auflösung – stellt LoTSS-DR3 neue Bestmarken auf.

Survey	Frequenz	Auflösung	Quellenanzahl	Sensitivität (1σ)	Zeitraum	Referenz
LOFAR LoTSS-DR3	120–168 MHz	6″ (9″)	13,7 Mio (Nordhimmel)	92 µJy/Beam (Mitte)	2014–2024 (≈10,5 Jahre)	Shimwell+2026 (A&A)[2]
NVSS (Condon+)	1,4 GHz	45″	≈1,8 Mio	0,45 mJy/Beam (0,14 K)	1993–1998	Condon et al. 1998[13]
FIRST (Becker+)	1,4 GHz	5″	≈0,95 Mio	~0,15 mJy/Beam	1993–2011	White et al. 2014[14]
TGSS-ADR1	150 MHz	25″	≈0,62 Mio	~3,5 mJy/Beam (Median)	2010–2012	Intema et al. 2017[15]
VLASS (NRAO)	2–4 GHz	2,5″	--- (laufend)	120 µJy/Beam (Einzelepoch, 69 µJy)	2017–2024+	Lacy et al. 2020[16]

Wissenschaftliche Bedeutung und Ausblick

Die LoTSS-DR3-Daten bieten Astrophysikern und Kosmologen eine neue Grundlage. Die Quellenkarte erlaubt u. a.
- AGN-Evolution: Die große Zahl entdeckter Jets und Radiogalaxien hilft, die Häufigkeit und Lebenszyklen aktiver Galaxien zu untersuchen.
- Magnetfelder: Mit LOFAR lassen sich sehr schwache Magnetfeld-Strukturen sichtbar machen. Die bisherige Analyse zeigt, dass kosmische Stoßwellen extrem effizient Teilchen beschleunigen können (Implikation für Ionenos)[6][26]. Auch Magnetfelder in fernen Galaxien oder sogar extrasolaren Planetensystemen könnten künftig erforscht werden (siehe Kommentar von D. Schwarz[27]).
- Kosmologie: Die Verteilung der Radioquellen kann dazu beitragen, großskalige Strukturen und Dunkle Energie zu studieren. Forscher erwarten Beiträge zu offenen Fragen wie der Hubble-Spannung und Natur der Dunklen Energie[28][27].
- Astronomische Seltenheiten: Die Daten werden systematisch nach ungewöhnlichen Objekten durchsucht, z. B. seltene Transienten, PRS (relic/phoenix Halos in Haufen), oder ungewöhnliche Supernova-Überreste.

LoTSS-DR3 legt somit Grundstein für zahlreiche Folgeprojekte. Künftige Arbeiten könnten z. B. tiefergehende Polarisation-Analysen (Q, U, V-Daten) oder kombinierte Auswertungen mit optischen/IR-Surveys (z. B. Legacy Surveys, Euclid) umfassen. Auch ein LoTSS-DR4 ist in Planung, das noch mehr Frequenzen oder vollständige Südhalbkugel abdecken könnte.

Datenverfügbarkeit

Die gesamten LoTSS-DR3-Daten sind öffentlich verfügbar und lizenzfrei (CC BY 4.0). Neben den 13,7 Mio Quellen im Katalog stehen Stokes-I-Bildmosaike (6″ und 20″), Einzelbeobachtungsbilder, Polarisationsdaten (Q, U, V) und kalibrierte Visibilities bereit[8]. Eine interaktive Himmelskarte (HiPS) ermöglicht das einfache Browsen[9]. Die wichtigsten Datensätze und Links im Überblick:

Datensatz/Link	Beschreibung	URL	Format	Zugang
LoTSS-DR3 Quellkatalog (v1.0)	Alle 13,7 Mio Radioquellen (inkl. Gauß-Komponenten) der Nordhimmelskarte[2]	SURF DOI 10.25606/SURF.lotss-dr3 [30][8]	FITS-Tabelle	Öffentlich (CC BY)
LoTSS-DR3 Gauß-Katalog (v1.0)	Enthält 16,94 Mio Gauß-Komponenten (für detailgenaue Modelle)	[Siehe SURF DOI oben]	FITS-Tabelle	Öffentlich (CC BY)
LoTSS-DR3 Mosaik-Bilder	Kombinierte 6″- und 20″-Bilder (Stokes I) des Nordhimmels[17]	LOFAR Surveys DR3-Seite oder SURF-Archiv	FITS-Mosaikbilder	Öffentlich (CC BY)
Kalibrierte Visibilities	Rohdaten (Measurement Sets) zur Weiterverarbeitung	Auf Anfrage (s. LoTSS-DR3 Website[30])	LOFAR MS	Öffentlich (auf Anfrage)
Interaktive HiPS-Karten	Allsky-HiPS der 6″/20″-Mosaike (für Aladin u. Ä.)[31]	LoTSS HiPS 6″ / 20″[31]	FITS-HiPS	Öffentlich (CC BY)
LoTSS-DR3 Webseite	Offizielle Datenrelease-Seite (Publikation, Docs, Kredite)	lofar-surveys.org/dr3.html [17]	HTML	Öffentlich
LOFAR Surveys Credits	Danksagungen und Literaturhinweise	Credits	HTML	Öffentlich

Beteiligte Institutionen und Publikation

An LoTSS-DR3 war ein großes internationales Konsortium beteiligt. Aus Deutschland sind die Universitäten Hamburg, Bielefeld, Bochum, Würzburg, die Thüringer Landessternwarte Tautenburg sowie das Jülich Supercomputing Centre (FZ Jülich) federführend mit dabei. Weitere Partner kommen u. a. aus den Niederlanden (ASTRON/Leiden Univ.), Italien, Großbritannien, Polen und weiteren LOFAR-Mitgliedsländern. In Deutschland sind die sechs deutschen LOFAR-Stationen durch das GLOW-Konsortium betrieben, dem neben den oben genannten Unis z. B. Bonn und Potsdam angehören[32][33]. Die Leitautoren der Publikation sind T. W. Shimwell (ASTRON) und M. J. Hardcastle (Univ. Hertfordshire) u. a.; insgesamt umfasst die Autorenschaft über hundert Wissenschaftler.

· Publikationsdetails: Shimwell, Hardcastle et al. (2026): “The LOFAR Two-metre Sky Survey VII. Third Data Release”, in Astronomy & Astrophysics. DOI: 10.1051/0004-6361/202557749[34]. (ArXiv:2602.15949, eingereicht 17. Feb. 2026[35]).

· Offizielle Pressemitteilungen (Deutsch): RUB Bochum[36], Uni Würzburg[37][38], Uni Bielefeld[39][9] und vermutlich weitere. Diese fassen Wichtiges in Laienverständlichem zusammen.

· LOFAR Observatory & Datenserver: Die LOFAR Surveys Website stellt alle Daten öffentlich bereit (siehe Links oben). Zusätzlich sind Teilmengen über das SURF-Archiv (DOI) und Tools wie Aladin (für HiPS) abrufbar.

Mermaid-Zeitachse (ausgewählte Phasen):

gantt
    title LOFAR LoTSS-DR3 Projekt-Timeline
    dateFormat YYYY
    section LOFAR-Bau und Planung
    LOFAR-Inbetriebnahme und Tests           :done, 2006, 2013
    LoTSS-Surveyplanung                     :active, 2014, 2018
    section Beobachtungen
    LoTSS Nordhimmelsurvey (120-168 MHz)   :2014, 2024
    section Datenverarbeitung
    Pipeline-Entwicklung (Kalibrierung etc.) :2015, 2020
    LoTSS-DR3 Datenreduktion                :2020, 2025
    section Veröffentlichung
    Analyse, Paper-Verfassung, Publikation :2025, 2026

Quellen: Details entstammen der Originalarbeit von Shimwell et al. (A&A 2026) sowie zugehörigen Preprints und Pressemitteilungen[1][5][2][34]. Technische Details zum Survey und Datenzugang sind auf der LOFAR-Surveys-Webseite dokumentiert[17][8]. Weitere Informationen lieferte die Presse der beteiligten Universitäten (Hamburg, Bielefeld, Bochum, Würzburg, Tautenburg)[37][40]. Tabellen- und Bilddaten zu früheren Umfragen (NVSS, FIRST, TGSS, VLASS) stammen aus den jeweiligen Survey-Publikationen[13][15][16]. Alle zitierten Daten und Aussagen sind so belegt.