Alma und E-ELT: Auf den Spuren der Superteleskope
Im Gegensatz zu den anderen Naturwissenschaften hat die Astronomie ein großes Problem: Sie kann das, was sie untersuchen will, immer nur aus der Ferne betrachten. Alles, was uns von Planeten, Sternen und Galaxien erreicht, ist Licht. Aus den wenigen Photonen, die es durch den leeren Raum bis zu uns geschafft haben, müssen die Astronomen all die Informationen heraussuchen, die sie benötigen. Lange Zeit konnten sie dazu nur ihre Augen benutzen. Erst zu Beginn des 17. Jahrhunderts setzte Galileo Galilei(öffnet im neuen Fenster) ein Teleskop ein. Seitdem werden Teleskope in immer neue Rekordgrößen gebaut – derzeit das European Extremly Large Telescope, dessen Name keine Übertreibung ist. So wollen die Wissenschaftler immer mehr Objekte sehen.
Denn beim Durchmesser eines Teleskops geht es nicht darum, die Himmelsobjekte zu vergrößern. Die Sterne sind so enorm weit entfernt, dass sie immer punktförmig bleiben, egal wie stark die Vergrößerung des Teleskops ist. Doch je größer der Durchmesser eines Teleskops ist, desto mehr Licht kann es auffangen. Und desto mehr und desto fernere Sterne und Galaxien können Astronomen beobachten und so weit in die Ferne und damit auch weit in die Vergangenheit blicken, die Entwicklung der Himmelsobjekte beobachten und ihren Ursprung nachvollziehen.
Das Large Binocular Telescope sieht aus wie ein gigantisches Fernglas
Das derzeit mächtigste Teleskop steht auf dem 3.267 Meter hohen Mount Graham in Arizona und sieht aus wie ein gigantisches Fernglas. Das Large Binocular Telescope(öffnet im neuen Fenster) (LBT) besteht aus zwei nebeneinander montierten Teleskopen mit einem jeweils 8,4 Meter großen Spiegel, die zusammen genau so viel Licht sammeln können wie ein Einzelspiegel mit einem Durchmesser von 11,8 Metern. Im Vergleich mit dem Teleskop, das gerade in der chilenischen Atacamawüste gebaut wird, ist das LBT aber geradezu winzig.
Am 19. Juni 2014 wurde in Chile die Spitze des 3.064 Meter hohen Cerro Armazones gesprengt, um Platz für das Fundament des European Extremly Large Telescope(öffnet im neuen Fenster) (E-ELT) zu schaffen. Nach der Fertigstellung wird das E-ELT einen Spiegel mit einem Durchmesser von 39 Metern haben und das größte optische Teleskop der Welt sein. So ein großer Spiegel kann natürlich nicht am Stück hergestellt werden. Das E-ELT wird aus 798 hexagonalen Segmenten zusammengesetzt werden, von denen jedes 1,45 Meter breit, aber nur 50 Millimeter dick ist. Der Spiegel muss so dünn sein, damit dort eine adaptive Optik eingesetzt werden kann. Denn das beste Teleskop nützt nichts, wenn die Bilder unscharf werden, und genau das passiert leider immer, wenn auf der Erde beobachtet werden soll.
Das Licht der Sterne – eingefangen auf 978 Quadratmetern
Um auch noch die schwächsten Himmelsobjekte sichtbar zu machen, muss man den Himmel sehr lange beobachten. Belichtungszeiten von mehreren Minuten oder gar Stunden sind in der Astronomie keine Seltenheit. Die Bewegung der Erde selbst kann dabei leicht durch eine entsprechende Nachführung korrigiert werden. Aber die unregelmäßige Bewegung der Luftschichten in der Erdatmosphäre verursacht Probleme. Das Licht der Sterne durchdringt die unterschiedlich dichten Schichten und wird dabei abgelenkt.
Von der Erde aus gesehen, scheint das Bild des Sterns hin und her zu springen, und bei längeren Belichtungen werden die Aufnahmen unscharf. Das Flackern der Sterne kann zwar nicht verhindert, aber korrigiert werden. Dazu wird mit einem starken Laser ein künstlicher Stern an den Himmel projiziert. Dessen Veränderung wird exakt vermessen und die Daten werden von einem Computer in Echtzeit an Aktuatoren weitergeben, von denen es hinter den Segmenten des E-ELT-Spiegels mehr als 6.000 geben wird. Damit wird das Teleskop in der Lage sein, seine Form mehr als 1.000 Mal pro Sekunde zu verändern. Die von der unruhigen Atmosphäre verzerrte Wellenfront des Sternenlichts trifft also immer auf einen exakt passend "verzerrten" Teleskopspiegel und am Ende entsteht ein scharfes Bild.
Revolutionäre Erkenntnisse
Wenn das E-ELT in den 2020er Jahren den Betrieb aufnimmt, erhoffen sich die Astronomen revolutionäre Erkenntnisse. Ihnen stehen dann ganze 978 Quadratmeter Fläche zur Verfügung, mit der sie das Licht der Sterne sammeln können. Aber nicht nur Sterne können entdeckt werden: Mit dem E-ELT wird es zum Beispiel auch möglich sein, Planeten anderer Sterne direkt zu beobachten. Bisher wurden zwar schon fast 2.000 extrasolare Planeten entdeckt, aber fast keiner davon ist direkt gesehen worden. Die Planeten sind viel zu klein und leuchten ja auch nicht selbst. Sie reflektieren nur das Licht ihrer Sterne, aber weil sie einerseits so weit weg sind, andererseits aber auch vom hellen Licht ihres Sterns überstrahlt werden, ist es bis jetzt nur in Ausnahmefällen gelungen, sie direkt abzubilden.
Mit dem E-ELT werden wir all die Planeten, über deren Existenz wir bisher nur indirekt Bescheid wissen, auch direkt sehen können. Natürlich werden wir keine fremden Kontinente oder andere Oberflächenstrukturen erkennen. Aber wir sehen Licht, das direkt von den Planeten reflektiert worden ist, und das kann mit den Instrumenten des E-ELT analysiert werden.
Forscher werden dann zum Beispiel nachsehen können, ob bestimmte Teile des reflektierten Lichts von den Gasen in der Atmosphäre des fernen Planeten absorbiert worden sind. So können sie herausfinden, wie die Bedingungen dort sind, welche Temperaturen herrschen und ob es vielleicht sogar sogenannte Biomarker gibt, die auf die Existenz von Leben hindeuten – zum Beispiel Sauerstoff, Methan oder gar Pflanzen, die Photosynthese durchführen und dafür einen Teil des Lichts absorbieren. Mit dem E-ELT werden die Astronomen das erste Mal in der Lage sein, tatsächlich eine "zweite Erde" zu entdecken, falls dort draußen irgendwo eine sein sollte.
Bis das Rekordteleskop auf dem Cerro Armazones fertig ist, wird es noch ein wenig dauern. Ein anderer Weltrekord wurde aber in der chilenischen Hochebene schon aufgestellt.
Das größte Radioteleskop der Welt im Einsatz
Im Juni 2014 wurde am Chajnantor-Plateau das letzte Teleskop des Alma-Arrays(öffnet im neuen Fenster) aufgestellt. 5.000 Meter über dem Meeresspiegel sind dort nun 66 astronomische Instrumente einsatzbereit und bilden das größte Radioteleskop der Welt. Denn die Astronomen schauen schon lange nicht mehr nur nach dem "normalen" Licht. Die für unser Auge sichtbaren Wellenlängen stellen nur einen kleinen Ausschnitt des kompletten elektromagnetischen Spektrums dar, das sich von der langwelligen Radio- und Mikrowellenstrahlung über Infrarotlicht, normales Licht, UV-Strahlung und Röntgenstrahlung bis hin zur Gammastrahlung erstreckt. Zu sehen und zu lernen gibt es für die Astronomen bei allen Wellenlängen etwas, aber das meiste davon wird leider durch die Atmosphäre der Erde blockiert. Nur sichtbares Licht und ein Teil der Radiostrahlung können sie durchdringen; den Rest kann man nur vom Weltall aus sehen.
Oder von sehr hochgelegenen und sehr trockenen Orten, an denen möglichst wenig Wasser in der Atmosphäre die Strahlung aus dem All absorbieren kann. Das Chajnantor-Plateau in der Atacamawüste ist genau so ein Ort und darum hat die Europäische Südsternwarte dort 2011 mit dem Bau von Alma begonnen, dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array. 54 Antennen mit einem Durchmesser von 12 Metern und 12 Antennen mit einem Durchmesser von 7 Metern ermöglichen einen Blick in das Universum, der anderswo nicht möglich wäre.
Mit der großen Anzahl an Antennen kann Alma ein Teleskop mit bis zu 16 Kilometern Durchmesser simulieren. Hierbei geht es vor allem um das Auflösungsvermögen, also die Fähigkeit eines Instruments, zwei nebeneinanderliegende Strahlungsquellen noch getrennt voneinander wahrzunehmen. Je größer der Durchmesser des Teleskops, desto größer ist auch das Auflösungsvermögen. Es hängt aber auch von der Wellenlänge ab und bei der Millimeter- beziehungsweise Submillimeterstrahlung, die Alma sehen möchte, würde ein riesiges Gerät benötigt, um eine exzellente Trennschärfe zu erreichen.
Mit der Technik der Interferometrie ist es aber nicht nötig, eine 16 Kilometer durchmessende Antenne zu konstruieren. Es reicht im Prinzip, zwei kleinere Teleskope in einem Abstand von 16 Kilometern aufzustellen. Das Auflösungsvermögen eines Instruments wird nicht schlechter, wenn Strahlung zwischen den Teleskopen verloren geht. Die Aufnahmen werden aber dann mehrdeutig, da kein einheitlicher Fokus mehr vorhanden und keine genaue Positionsbestimmung für die Quelle mehr möglich ist.
Supercomputer mit 134 Millionen Prozessoren wertet Almas Daten aus
Dem kann man aber vorbeugen, indem nicht einfach nur zwei Teleskope verwendet werden, sondern eine ganze Gruppe von Antennen, die in verschiedenen Kombinationen zusammengeschaltet werden. Genau das passiert bei Alma: Die 66 Antennen können bewegt werden und so unterschiedliche Konfigurationen bilden. Ein Supercomputer mit 134 Millionen Prozessoren, der Alma-Korrelator, kann bis zu 17 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde durchführen und wird die Signale der einzelnen Antennen zu einem einzigen Bild kombinieren.
Die Millimeterwellen aus dem All, die Alma beobachten wird, sind vor allem dann interessant, wenn Astronomen wissen wollen, was hinter den kosmischen Staubwolken liegt. Junge Sterne und Planeten sind während ihrer Entstehungsphase in riesige Wolken aus Gas und Staub gehüllt, die von optischer Strahlung nicht durchdrungen werden können. Für die Millimeterwellen aber stellen sie kein Hindernis dar und Alma erlaubt den Astronomen daher einen ungestörten Blick auf die Geburt und Kindheit von Sternen und Planeten in unserer kosmischen Nachbarschaft. Aber auch die weit entfernten supermassereichen schwarzen Löcher in den Zentren großer Galaxien sind ein lohnendes Beobachtungsziel für Alma: Die Materie, die von diesen immer noch nicht vollständig verstandenen Objekten angezogen wird, wird dabei so stark beschleunigt, dass sie Radiostrahlung abgibt, die von Alma gesehen werden kann. Aus der Analyse dieser Beobachtungen erhofft man sich zum Beispiel Hinweise auf die Entstehung der gigantischen Schwarzen Löcher, für die es bisher immer noch keine befriedigende Erklärung gibt.
Mit Alma auf Molekülfang
Alma kann auch bei der Suche nach Leben im Universum helfen: Wenn sich in kosmischen Gas- und Staubwolken aus einzelnen Atomen komplexe Moleküle bilden, können sie dort auch miteinander kollidieren und dadurch angeregt werden. Die zusätzliche Energie wird irgendwann wieder abgestrahlt und das passiert normalerweise bei Wellenlängen, die im Radio- oder Mikrowellenbereich liegen. Mit Instrumenten wie Alma ist es möglich, genau herauszufinden, welche Moleküle sich wo und unter welchen Bedingungen bilden können. Schon 2012 hat das damals noch nicht komplette Alma-Array Zucker-Moleküle gefunden, die sich in einer Staubscheibe befinden, die den jungen Stern IRAS 16293-2422(öffnet im neuen Fenster) umgibt. Dort bilden sich vermutlich gerade Planeten und die komplexen Moleküle befinden sich genau in der richtigen Position, um später vielleicht auf diesen Planeten zu landen und dort eventuell eine Rolle bei der Entstehung von Leben zu spielen. Wie häufig komplexe Moleküle im All tatsächlich sind und was sie mit der Entwicklung von Planeten zu tun haben, wird die zukünftige Forschung von Alma zeigen.
Die Astronomen denken aber schon über noch größere Instrumente nach. Wenn das E-ELT Mitte der 2020er Jahre fertig sein wird, wird Alma seinen Titel als größtes Radioteleskop schon an das Square Kilometer Array(öffnet im neuen Fenster) verloren haben. Das wird gerade in Südafrika gebaut und eine 50 Mal höhere Auflösung haben als Alma.