Von Galilei über Hubble zu Herschel und weiter

Hochleistungsobservatorien und raffinierte Rechenverfahren helfen, das Universum zu durchschauen. Blick ins Dunkle - Teil 1

Seit Galileo Galilei vor 400 Jahren erstmals ein Teleskop auf den Himmel richtete, wird die astronomische Beobachtungstechnik immer leistungsfähiger und präziser. Mindestens ebenso wichtig für die jüngsten Erfolge der Astronomie sind aber die neuen Methoden zur Aufzeichnung und Verarbeitung der mit Hightech-Observatorien gesammelten Daten.

Es ist eine aufregende Zeit für Sternenfreunde: Fast täglich werden neue Erkenntnisse übers Weltall publiziert, machen faszinierende Bilder die Runde, werfen überraschende Entdeckungen neue Fragen auf. Das atemberaubende Tempo, mit dem die Astronomie seit einigen Jahren voranschreitet, lässt sich nur mit dem Aufschwung vergleichen, den die Einführung des Teleskops als astronomisches Beobachtungsinstrument vor 400 Jahren bewirkt hat. Das derzeit laufende Internationale Jahr der Astronomie feiert daher gleichzeitig die heutigen Erfolge bei der Erforschung des Weltalls wie auch das historische Jubiläum, das vor allem mit dem Namen Galileo Galilei verbunden ist.

Galilei, der damals als Professor in Padua lehrte, hatte sich sein Teleskop noch selbst bauen können. Wie Geoff Andersen in seinem lesenswerten Buch über Teleskope schreibt, hatte er im Sommer 1609 erfahren, dass ein Niederländer nach Venedig gekommen sei, um dem dortigen Staatsoberhaupt, dem Dogen, die neue Erfindung zum Kauf anzubieten. Galilei bat Freunde mit Zugang zum Dogen, die Prüfung des Angebots hinauszuzögern. Unterdessen versuchte er, aufgrund vager Beschreibungen des Geräts dessen Funktionsweise zu erraten. Tatsächlich gelang ihm durch die Kombination einer Sammel- und einer Zerstreuungs-Linse innerhalb eines Tages ein Nachbau, der dem Original deutlich überlegen war. Er überreichte es dem Dogen als Geschenk und erhielt als Dank eine Gehaltserhöhung.

Der Brillenmacher Hans Lipperhey, der im Jahr zuvor ein Patent auf das neue Beobachtungsgerät angemeldet hatte und vergeblich versuchte, das Konstruktionsprinzip geheimzuhalten, hatte in erster Linie militärische Anwendungen im Sinn. Galilei dagegen richtete das Fernrohr auf den Himmel, zunächst auf den Mond, der sich als keineswegs perfekte Kugel entpuppte, sondern voller Zacken, Rillen und Krater war. Die Milchstraße war kein Nebel, sondern löste sich im Teleskop in eine Vielzahl von Sternen auf. Überhaupt gab es viel mehr Sterne als bis dahin bekannt. Für die damalige Zeit eine verstörende Erkenntnis.

Mit ein paar Federstrichen hielt Galileo Galilei im Januar 1610 die Positionen der Jupitermonde an verschiedenen Tagen fest. Der darüber stehende Text ist der Entwurf eines Briefes an den Dogen von Venedig. Bild: NASA

Schließlich, am 7. Januar 1610, betrachtete Galilei den Jupiter und entdeckte zunächst drei kleine Punkte in dessen Nähe, eine Woche später auch einen vierten, die ständig ihre Position relativ zum Jupiter änderten, aber immer in seiner Nähe blieben. Er deutete sie als Monde, die den Jupiter umkreisen, und versetzte damit der geltenden Lehre, wonach sich alles um die Erde im Mittelpunkt des Universums drehte, den Todesstoß.

385 Jahre später, im Juli 1994, war wieder das beste verfügbare Teleskop auf den Jupiter gerichtet. Und wieder waren die Bilder, die es zeigte, beunruhigend: 21 Fragmente des zerbrochenen Kometen Shoemaker-Levy-9 stürzten auf den Gasplaneten und hinterließen Einschlagsspuren, die teilweise so groß waren wie die Erde. Es war das erste Mal, dass eine solche kosmische Kollision live beobachtet werden konnte.

Die Einschläge des Kometen Shoemaker-Levy-9 auf dem Jupiter im Juli 1994 erfolgten von der Erde aus gesehen auf der Rückseite des Planeten. Erst eine gute Stunde später waren die Folgen zu sehen wie hier auf dem Bild des Hubble Space Telescope vom 18. Jui 1994. Der dunkle Fleck im Zentrum des Einschlagsgebiets hat einen Durchmesser von 2.500 Kilometer, der äußere Durchmesser des darum liegenden Ringes entspricht mit ~12.000 Kilometern ungefähr dem der Erde. Bild: NASA/ESA

Anders als zu Galileis Zeiten saß diesmal aber kein Astronom hinter dem Fernrohr, kniff ein Auge zusammen und hielt seine Beobachtungen mit dem Zeichenstift auf Papier fest. Das wäre auch gar nicht gegangen, schließlich kreiste das Beobachtungsinstrument in einer Höhe von knapp 600 Kilometer um die Erde: Das amerikanisch-europäische Hubble Space Telescope war damals das weltweit leistungsfähigste astronomische Observatorium, das den Jupiter so groß und scharf abbilden konnte wie kein anderes. Seine Bilder wurden nahezu in Echtzeit im Internet übertragen und rückten weit über die Kreise von Fachastronomen hinaus die Gefährdung der Erde durch solche Einschläge ins Bewusstsein. Kinofilme wie "Deep Impact" und Armageddon zählen zu den spektakulärsten Ausprägungen dieses Bewusstseinswandels.

Inzwischen hat Hubble einige Konkurrenz bekommen, sowohl im Weltraum als auch am Boden. Dank mehrerer Reparaturen und technischer Updates mischt es aber weiterhin in der Spitzengruppe mit und dürfte auch heute noch das populärste Teleskop der Welt sein. Wenn ein einzelnes Instrument den gegenwärtigen Aufbruch der Astronomie symbolhaft verkörpert, dann ist es Hubble.

400 Jahre Teleskop

Am grundlegenden Funktionsprinzip astronomischer Observatorien hat sich seit Galilei kaum etwas geändert. Mithilfe von Linsen oder Spiegeln wird das Licht gebündelt und fokussiert, sodass eine vergrößerte Abbildung des beobachteten Objekts entsteht. Doch bevor das von modernen Observatorien gesammelte Licht ein menschliches Auge erreicht, durchläuft es Farbfilter, Prismen oder Beugungsgitter und wird von CCD-Sensoren, deren Kapazitäten eher im Bereich von 100 als von 10 Megapixel liegen, in Ladungsinformation verwandelt. Die kann mithilfe raffinierter Rechenverfahren auf unterschiedlichste Weise aufbereitet werden. Bilder, die den Eindruck wiedergeben, den ein menschliches Auge bei entsprechender Sehkraft hätte, sind nur noch eine mögliche Variante unter vielen. Bei Aufnahmen im nicht sichtbaren Bereich des Spektrums müssen Farben dagegen mehr oder weniger willkürlich bestimmten Wellenlängen zugeordnet werden. Sehr gerne zerlegen die Astronomen das eingefangene Licht auch in Spektren, in denen sie nach Signaturen chemischer Substanzen oder physikalischer Prozesse suchen. Und der Blick reicht viel tiefer ins All, als Galilei wahrscheinlich geahnt hat.

Während der italienische Gelehrte damals für sein Teleskop zunächst gekaufte, später selbst geschliffene Linsen mit wenigen Zentimeter Durchmesser verwendete, kommen heute praktisch nur noch Spiegel zum Einsatz. Dafür sind zum einen die besseren optischen Eigenschaften verantwortlich: Im Unterschied zu Linsen, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge unterschiedlich stark brechen, gibt es bei Spiegeln keine derartigen Verzerrungen. Vor allem aber lassen sich Spiegel erheblich größer bauen als Linsen. Das größte noch existierende Linsenteleskop, der Refraktor des Yerkes Observatory in Williams Bay, Wisconsin, hat einen Durchmesser von 102 Zentimeter. Die derzeit größten Spiegelteleskope sind ungefähr zehnmal so groß, noch größere sind in Planung.

Anders als zu Galileis Zeiten lassen sich solche Observatorien auch nicht mehr in wenigen Tagen bauen. Beim Hubble Space Telescope vergingen von den ersten konzeptuellen Überlegungen Anfang der 1970er-Jahre bis zur Inbetriebnahme etwa 20 Jahre. Auch für Großobservatorien am Boden wie das Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte ESO müssen 10 bis 15 Jahre gerechnet werden.

Die nächste Stufe: Das European Extremely Large Telescope (E-ELT) soll einen 42 Meter großen Primärspiegel bekommen. Zum Größenvergleich wurde ein Airbus A 340 ins Bild kopiert. Bild: ESO

Allein die Fertigung des Primärspiegels, der das Licht der beobachteten Objekte einfängt und konzentriert, kann mehrere Jahre in Anspruch nehmen. Zunächst muss der aus Spezialglas gegossene Rohling sehr langsam abkühlen, um Verformungen zu vermeiden. Dann erfolgt der Prozess der Schleifens und Polierens, der immer wieder von aufwendigen Tests der optischen Eigenschaften unterbrochen wird. Die erforderliche Genauigkeit hängt ab von den Wellenlängen, in denen das Teleskop beobachten soll: je kürzer, desto genauer. Der 2,4-Meter-Spiegel des Hubble Space Telescope, das auch im kurzwelligen Ultraviolett Beobachtungen durchführt, durfte nirgendwo mehr als 10 Nanometer von der Idealform abweichen.

Tatsächlich gelang es der US-amerikanische Firma Perkin-Elmer, die mit der Herstellung des Spiegels beauftragt war, diese Genauigkeit zu erreichen. Doch leider war die Testvorrichtung falsch justiert und sorgte dafür, dass der Spiegel am Rand um 2,2 Mikrometer zu flach war. Das wurde erst bemerkt, nachdem das Observatorium im April 1990 ins All gebracht worden war. Erst eine Reparaturmission im Dezember 1993, bei der eine Korrekturoptik eingebaut wurde, brachte das Teleskop nahe an die ursprünglich vorgesehene Leistungsfähigkeit. Die spektakulären Jupiterbilder vom Juli 1994 waren daher auch eine Antwort auf die Häme, die nach der Panne über die Raumfahrtbehörden Nasa und Esa ausgeschüttet worden war.

Standortpolitik

Für Galilei war es noch einigermaßen gleichgültig, wo er sein selbst gebautes Teleskop aufstellte. Weder Leuchtreklamen noch qualmende Fabrikschornsteine trübten den Blick, Turbulenzen in der Erdatmosphäre machten sich bei einer Objektivöffnung von wenigen Zentimetern und einer etwa 30-fachen Vergrößerung ebenfalls nicht störend bemerkbar. Die heutigen Hochleistungsteleskope hingegen brauchen optimale meteorologische Bedingungen, um ihre Möglichkeiten optimal ausschöpfen zu können. Observatorien, die mehrere hundert Millionen Euro kosten, baut man nicht an Orten, wo es häufig regnet.

Grundsätzlich bietet das Vakuum des Weltraums die besten Beobachtungsbedingungen. Der für die Realisierung eines Weltraumteleskops erforderliche technologische Aufwand und damit die Kosten sind jedoch sehr hoch. Die Wartung und der Austausch von Komponenten sind nicht oder, wie im Falle des Hubble Space Telescope, wiederum nur mit sehr hohem Aufwand möglich. Auch bei der Größe der Spiegel müssen Abstriche gemacht werden. So arbeitet Hubble mit einem verhältnismäßig kleinen 2,4-Meter-Spiegel. Der Primärspiegel des europäischen Infrarotobservatoriums Herschel, das demnächst ins All geschossen werden soll, misst immerhin 3,5 Meter. Damit ist Herschel vorübergehend das größte Weltraumteleskop - bis es voraussichtlich im Jahr 2013 durch das 6,5 Meter große amerikanisch-europäisch-kanadische James Webb Space Telescope übertroffen wird.

Infrarotobservatorium Herschel. Bild: ESA

Am Boden lassen sich dagegen erheblich größere Spiegel installieren. Allerdings dürfte mit Durchmessern von etwa acht Metern die Obergrenze für monolithische, aus einem Stück gefertigte Spiegel erreicht sein. Größere Durchmesser lassen sich besser in Segmentbauweise realisieren, bei der mehrere kleinere Spiegel zu einem großen zusammengefügt werden. So bestehen die Spiegel der beiden 9,8-Meter-Teleskope des Keck-Observatoriums auf dem Vulkan Mauna Kea auf Hawaii aus jeweils 36 Segmenten, ebenso das im vergangenen Jahr in Betrieb genommene 10,4-Meter-Teleskop auf der Kanaren-Insel La Palma.

Grundsätzlich gilt für Bodenteleskope: Je höher sie stehen, desto besser. Je dünner die Luft, desto weniger kann sie stören. Trotzdem wäre ein Standort in einem Hochgebirge wie dem Himalaya nicht ideal, weil die Luftschichten hier durch die umliegenden Landmassen ungleichmäßig aufgeheizt werden, was zu starken Turbulenzen führt. Als derzeit beste Standorte gelten der 4214 Meter hohe Mauna Kea auf Hawaii und der Cerro Paranal in der chilenischen Atacama-Wüste, dessen ursprünglich 2660 Meter hoher Gipfel für den Bau des VLT auf 2635 Meter heruntergesprengt wurde, um ein ausreichend großes Plateau zu schaffen. In beiden Fällen sorgt die Nähe des Meeres für gleichmäßige Temperaturen und entsprechend ruhige Luftschichten.

Die Riesenteleskope sammeln mehr Licht. Dadurch können sie extrem lichtschwache Objekte sichtbar machen und Informationen über sie gewinnen. Ihr optisches Auflösungsvermögen, also der kleinste Winkel, in dem zwei dicht beieinander liegende Punkte noch voneinander getrennt werden können, würde aber selbst an diesen optimalen Standorten wegen der Störungen durch die Atmosphäre nicht über das eines Amateurteleskops mit 20 Zentimeter Durchmesser hinausgehen - gäbe es nicht die Technologie der adaptiven Optik, die eben diese Störungen ausgleichen kann. Entwickelt wurde sie in den 1970er- und 1980er-Jahren von der US-Luftwaffe, um die Aufklärungssatelliten der Gegenseite beobachten zu können. Als im Jahr 1991, nach dem Ende des Kalten Kriegs, die Geheimhaltung aufgehoben wurde, brachte das die astronomische Forschung einen Riesenschritt voran.

Teil 2: Der Reiz der Dunkelheit

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