Die X-Akten der Astronomie: Das Wow!-Signal, oder: Ist da jemand?

Geht es um ungeklärte Beobachtungen der Astronomie, steht das Wow!-Signal ganz vorne. Was es damit auf sich hat und welche Erklärungsversuche gescheitert sind.

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Dank immer besserer Technik, innovativen Ansätzen und internationaler Kooperation erlebt die Astronomie eine Blüte. Doch während viele Beobachtungen dabei helfen, Theorien zu verfeinern oder auszusortieren, gibt es auch immer wieder Entdeckungen, die einfach nicht zu passen scheinen. Mysteriöse Signale, mutmaßliche Verstöße gegen Naturgesetze und – noch – nicht zu erklärende Phänomene. In der Öffentlichkeit wird dann gerne darüber diskutiert, ob es sich um Spuren außerirdischer Intelligenz handelt, Wissenschaftler wissen, dass es am Ende fast immer eine natürliche Erklärung gibt. Aber überall wird die Fantasie angeregt.

In einer Artikelserie auf heise online werden wir in den kommenden Wochen einige solcher astronomischen Anomalien aus einer jüngst vorgestellten Sammlung vorstellen und erklären, warum alle Erklärungsversuche bislang an ihnen scheitern.

Die X-Akten der Astronomie

In der Astronomie gibt es immer wieder Beobachtungen, die erst einmal nicht zu erklären sind. Während einige dahinter gleich Außerirdische vermuten, erwarten sich andere neue Erkenntnisse über die Natur des Universums. Spannend sind sie allemal. heise online wirft einen Blick auf einige dieser bis dato nicht zu erklärenden Anomalien.

Sind wir alleine im Universum? Oder gibt es andere Zivilisationen, mit denen wir über Radiowellen kommunizieren könnten? Vielleicht haben wir sie schon gehört – am 15. August 1977 wurde das berühmte "Wow!"-Signal empfangen. Bis heute ist umstritten, ob es sich tatsächlich ein künstliches Signal handelte oder ob es dafür eine natürliche Erklärung gibt.

Das ehemalige Big-Ear-Radioteleskop

(Bild: bigear.org)

Vermutlich hätte ein Laie das monströs anmutende Big-Ear-Radioteleskop in Delaware im US-Bundesstaat Ohio, eher für einen militärisches Experiment oder ein Radargerät gehalten als für ein Radioteleskop. Big Ear, das "große Ohr", bestand aus einem 103 m × 33 m messenden, mit Drahtgitter bespanntem ebenen Reflektor, der in Nord-Süd-Richtung geschwenkt werden konnte. Ihm gegenüber stand 150 Meter südlich ein starrer, parabolisch gekrümmter und gleichsam bespannter Reflektor von 103 Metern Breite und 21 Metern Höhe. Der schwenkbare Reflektor konnte jeden Punkt eines 100° messenden Teilbogens des Meridians anpeilen und Signale von dort zum parabolischen Reflektor umlenken, der diese auf trichterförmige Hornantennen am Fuße des Schwenkreflektors fokussierte.

Zur Isolation gegen Radiowellen aus dem Boden war die Fläche zwischen den Reflektoren mit Aluminiumplatten abgedeckt. Durch die Drehung der Erde zogen Radioquellen am Himmel beim Meridiandurchgang durch das schmale Empfangsfeld des Radioteleskops. So kam über die Dauer eines Tages jeder Punkt des Himmels zwischen 36° südlicher und 64° nördlicher Himmels-Breite (Deklination) in Reichweite.

Schema des Big-Ear-Radioteleskops. Rechts der schwenkbare plane Radioreflektor, der durch Änderung des Neigungswinkels auf Quellen verschiedener Höhe über dem Horizont auf der Nord-Süd Linie (Meridian) gerichtet werden konnte und ihre Radiostrahlung auf den großen, starren parabolischen Reflektor links reflektierte. Dieser fokussierte das Radiosignal auf Hornantennen am Fuße des schwenkbaren Reflektors. Darunter das System zur Aufzeichnung und Auswertung der Signale. Das Teleskop blickte starr nach Süden. Das Schwenken des Teleskops in Ost-West-Richtung erledigte die Erdrotation.

(Bild: bigear.org)

Ursprünglich war das Gerät 1963 zur Erkundung von astronomischen Radioquellen im Mikrowellenbereich gebaut worden, einer Aufgabe, der es bis 1971 im Rahmen des Ohio Sky Survey auch mit großem Erfolge nachging: Es spürte rund 20.000 Radioquellen auf, die Hälfte davon Neuentdeckungen. Leider wurde die Förderung des Nachfolgeprojekts 1972 durch den US-Kongress gekippt und die Wissenschaftler verloren alle ihre Jobs – bis auf den Direktor, der aus anderer Quelle finanziert wurde.

Die begeisterten Forscher wollten das einzigartige Gerät jedoch weiterhin nutzen und bauten es in ihrer Freizeit um, so dass es weitgehend automatisch mit wesentlich weniger Personal und somit Fördermitteln auskam. Ihnen erschien der Umbau in einen Schmalbandempfänger am sinnvollsten, da es bis dato noch keine großflächige Beobachtung des Himmels auf einzelnen Radiofrequenzen gegeben hatte. Vor allem bestand die Hoffnung, man könne möglicherweise Signale außerirdischer Zivilisationen empfangen. Signale von künstlichen Quellen wie etwa Radiosendern sind schmalbandig – man muss den Empfänger auf eine bestimmte Empfangsfrequenz abstimmen – während natürliche Quellen normalerweise breitbandige Signale auf vielen Frequenzen abstrahlen. Die Sonne leuchtet beispielsweise ein riesiges Spektrum aus, das vom Radiobereich bis zur Röntgenstrahlung reicht.

Besonders attraktiv als Zielfrequenz ist die 21-cm-Linie des Wasserstoffs. Sowohl das Proton im Kern eines Wasserstoffatoms als auch das Elektron haben ein quantenmechanisches magnetisches Moment, den "Spin", der sie gewissermaßen zu winzigen Magneten macht. Der Spin kann im Atom nur zwei Werte annehmen, und somit können die Spins von Kern und Elektron entweder parallel oder antiparallel sein. Nun ist die Energie des Elektrons bei paralleler Ausrichtung ein klein wenig größer als bei antiparalleler. Kippt der Spin des Elektrons spontan in die antiparallele Richtung, dann wird die Energiedifferenz als Radio-Photon einer charakteristischen Frequenz von 1420,4056 MHz abgestrahlt; dies entspricht einer Wellenlänge von 21,106 Zentimeter.

Diese Frequenz, auch "Hyperfeinstrukturübergang des Wasserstoffs" oder HI-Linie genannt, ist charakteristisch für kaltes, neutrales Wasserstoffgas, von dem die Milchstraße durchzogen ist. Da die Frequenz kaum absorbiert wird, kann man im 21-cm-"Licht" auch die hinter dem galaktischen Zentrum liegenden Spiralarme "sehen", während interstellarer Staub den optischen Blick auf 90 Prozent unserer Welteninsel versperrt.

Wasserstoffatom im Grundzustand mit paralleler (F1) und antiparalleler (F0) Ausrichtung der magnetischen Momente (Spins) von Kern (rot, Mitte) und Elektron (grau, rechts). Der Spin des Elektrons kann spontan von F1 nach F0 kippen. Da das Energieniveau bei F1 geringfügig höher als bei F0 ist, strahlt das Elektron die Energiedifferenz als Radiostrahlung von 1420 MHz / 21 cm Wellenlänge ab.

Auch für die Suche nach Signalen außerirdischer Zivilisationen ist diese Frequenz interessant, denn ein schwaches, schmalbandiges Signal unter den zahllosen kosmischen und irdischen Störquellen aufzuspüren, gleicht der Suche nach der sprichwörtlichen Stecknadel im Heuhaufen. Wenn eine außerirdische Intelligenz von uns aufgespürt werden wollte, würde sie wohl eine Frequenz wählen, die eine große Reichweite hat, nicht von einer Planetenatmosphäre absorbiert würde und die irgendwie elementar und naheliegend ist. Das alles erfüllt die HI-Linie, die Linie des kleinsten Elektronen-Quantensprungs im einfachsten und häufigsten aller Atome. Deswegen stimmte das Big-Ear-Team den Empfänger auf ein Band mittig um 1420,4056 MHz ab. Und so konnte das Team Fördergelder für das Ohio State SETI ("Suche nach außerirdischer Intelligenz") Programm gewinnen, das 22 Jahre lang von 1973 bis 1995 laufen sollte und es bis ins Guinness-Buch der Rekorde schaffte.

Das Big-Ear-Team konnte einen Empfänger mit 10 kHz Kanalbreite vom Green Bank Radioteleskop in West Virginia ergattern, der 50 Kanäle gleichzeitig erfassen und ihre Leistung messen konnte. Um Signale und Hintergrund besser zu trennen, hatte das Big Ear zwei räumlich leicht versetzte Empfangsantennen, die somit in zwei leicht gegeneinander Ost-West-versetzte Richtungen blickten. Der Empfänger wurde 79-mal pro Sekunde zwischen beiden Antennen hin- und hergeschaltet. Um Punktquellen von der Hintergrundstrahlung trennen zu können, wurde das Signal der westlicher gelegenen Antenne invertiert und zum Signal der östlichen Antenne addiert, also insgesamt subtrahiert.

Hintergrundstrahlung, die von beiden Antennen gleichzeitig empfangen wurde, konnte auf diese Weise weitgehend eliminiert werden. Eine Punktquelle am Himmel zog hingegen zuerst durch die Empfangskeule der westlichen Antenne und sorgte für einen glockenförmigen Pegelverlauf nach unten, bevor sie im östlichen Empfänger einen entsprechenden Pegelausschlag nach oben verursachte.