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Mit Digitizer-Karten von Spectrum

Supernovae und schwarze Löcher aufspüren

MAGIC-Teleskop
MAGIC (Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov) sind die weltweit größten Luft-Tscherenkow-Teleskope mit einem Durchmesser von jeweils 17 Metern.
© Spectrum Instrumentation

Die »MAGIC«-Teleskope auf der Kanareninsel La Palma wurden gebaut, um kosmische Objekte wie Supernovae oder schwarze Löcher zu beobachten. Außerdem können Forschende hiermit den Durchmesser von Sternen messen. Möglich ist das lediglich mit Embedded-Technik von Spectrum.

Für erdgebundene Teleskope ist das Messen von Sternen eine heikle Aufgabe, da der Winkeldurchmesser von Sternen extrem klein ist: lediglich wenige Millibogensekunden. Man kann es vergleichen mit dem Vermessen einer Münze auf der Spitze des Eiffelturms - mit einem Fernrohr in New York. So sind nicht einmal die größten Teleskope der Welt in der Lage, den Durchmesser der Sterne direkt zu messen. Stattdessen zeichnen die Forschenden die Lichtintensität eines Objekts auf, indem sie das Licht zweier Teleskope kombinieren, die einige Dutzend Meter entfernt voneinander stehen - als Intensitäts-Interferometrie bezeichnet. Die Signale sind jedoch sehr schwach, so dass Übersprechen und Störsignale sie sehr leicht überlagern können. Nachdem passende Digitizer verschiedener Hersteller ausgiebig getestet wurden, fiel die Wahl der Wissenschaftler auf die »M4i.4450-x8« Digitizer-Karten von Spectrum Instrumentation.

Relevante Anbieter

M4i.4450-x8
Spectrum M4i.4450-x8, ein zweikanaliger Digitizer mit 500 MS/s Geschwindigkeit.
© Spectrum Instrumentation

System muss zuverlässig und langlebig sein

»Wir haben festgestellt, dass die Karten von Spectrum von allen verglichenen PC-Karten die kleinsten Signalstörungen und das niedrigste Übersprechen aufwiesen«, sagte David Fink vom Max-Planck-Institut für Physik, der für die elektronische Entwicklung des Projekts verantwortlich ist. »Außerdem waren die Ausgangswerte jeder Karte absolut identisch. Das ist extrem wichtig, da wir die Signalunterschiede der beiden Teleskope ermitteln müssen. Die Technik ist sehr empfindlich gegenüber korrelierten Signalen und Übersprechen zwischen Kanälen, einschließlich allem, was auf dem Weg von den optischen Sensoren der Teleskope bis zum Computer mit den Digitizer-Karten an Störungen einfällt. Die Digitizer von Spectrum ermöglichen uns, Schwankungen der Lichtintensität im Nanosekundenbereich sehr präzise zu messen. Die Empfindlichkeit ist etwa zehnmal höher als die mit dem Narrabri Interferometer in den 1970er Jahren erreichte Empfindlichkeit.«

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Auswahl war die Zuverlässigkeit. Weil sich die Karten in den Teleskopen in den Bergen auf der Insel La Palma befinden, ist es sehr umständlich, eine defekte Karte auszutauschen. Hinzu kommen die Kosten für Geräteausfallzeiten und - besonders schwerwiegend - die verlorene Beobachtungszeit. Spectrum gewährt zudem auf seine Embedded-Module eine Garantie von fünf Jahren. Außerdem garntiert Spectrum, die Karten selbst nach Ablauf der Garantie weiter reparieren zu können - ein weiterer wichtiger Punkt für die Forschenden.

Aufgrund der großen Datenmengen, die zu verarbeiten sind, nutzen die Forscher zusätzlich Spectrums »SCAPP«-Software (Spectrum CUDA Access for Parallel Processing). Hierbei werden die gesammelten Daten der Digitizer im PC nicht an die CPU mit 16 Prozessorkernen gesendet, sondern an eine Nvidia GPU mit 5000 Rechenkernen. Hiermit sind Datenerfassungen in hoher Auflösung mit 500 Megasamples pro Sekunde möglich.

Weit entfernte Sterne

Der Durchmesser eines weit entfernten Sterns wird gemessen, indem die Variationen des empfangenen Lichts digitalisiert werden. Anschließend wird die Kreuzkorrelation während der Beobachtung berechnet und gemittelt, um ihre Variation als Funktion des Abstands zwischen den Teleskopen zu bestimmen. Bewegt sich der Stern über den Himmel, ändert sich die Geometrie - das Messen einer Form erfordert Beobachtungen entlang mehrerer Achsen.

Bildgebende atmosphärische Tscherenkow-Teleskope (IACTs) haben große Spiegel und eine Reaktionszeit von etwa einer Nanosekunde auf die Signale von Photoelektronen, die von optischen Photonen erzeugt werden. Hiermit sind sie ideal für optische Interferometrie-Beobachtungen geeignet. Dank ihrer hohen Empfindlichkeit bei sichtbaren Wellenlängen sind Winkelauflösungen bis in den Bereich von wenigen 10 Mikrobogensekunden erreichbar. Ein zusätzlicher optischer Aufbau, der auf den Kameras der beiden 17-m-Spiegel installiert wurde, konnte kohärente Fluktuationen in der Photonenintensität beobachten, die für drei verschiedene Sterne gemessen wurden.


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