Forschung

Das Hubble Weltraumteleskop hat ohne Frage unser Bild des Universums grundlegend geprägt. Erstmals in der Geschichte der Astronomie war es möglich, dass jedermann weltweit Einblick in die Forschungsarbeit von Hubble nehmen konnte und spektakulärste Aufnahmen des Universums, dank dem Internet, niemandem vorenthalten blieben. Dies ist sicherlich auch der Öffentlichkeitsarbeit der NASA zu verdanken, die es sich zum Grundsatz machte, die Menschheit an ihrer Arbeit teilhaben zu lassen.

Hubble fertigte während seiner Betriebszeit einmalige Aufnahmen an und blickte dabei weiter ins Universum als je ein Teleskop zuvor. Dabei konnten einige Theorien über das Universum, die bis dahin nur auf dem Papier existierten, bestätigt und ergänzt werden. Die primäre Aufgabe von Teleskopen der nächsten Generation wird es allerdings sein, Planetensysteme ausfindig zu machen und vielleicht sogar eine zweite Erde zu entdecken.

Mit Hilfe der Interferometrie ist es bei erdgebundenen Teleskopen mittlerweile möglich, das Licht eines Sterns "auszublenden" und einen möglichen Begleiter direkt sichtbar zu machen. Dies gelang erstmals im September 2004 am VLT der ESO mit dem Braunen Zwerg 2M1207. Bis Anfang Oktober 2006 konnten mit Hilfe direkter und indirekter Beobachtungstechnologien 210 Exoplaneten in 180 Systemen nachgewiesen werden.

erdgebundene Teleskope

VLT

Beim Very Large Teleskope Interferometer handelt es sich um die größte erdgebundene Teleskopanlage der Welt. Diese besteht aus vier Hauptteleskopen, wobei jedes einzelne Teleskop einen 8,2 Meter Spiegel enthält. Durch eine in Deutschland entwickelte Software ist es möglich, diese vier Einzelspiegel zu einem Spiegel zu vereinen, wobei sich eine Gesamtspiegelfläche von 200qm ergibt. Durch die bereits in den 80ern entwickelte Technik der Interferometrie ist es möglich, Störungen der Erdatmoshäre auszugleichen und somit eine extrem hohe Auflösung zu erzielen. Die Optik der zusammengeschalteten Teleskope kann noch Licht von Sternen empfangen, das vier Milliarden mal lichtschwächer ist, als der schwächste Stern, den man mit bloßem Auge empfangen kann.
Mit dem VLT und den daran angeschlossenen Computersystemen können vollautomatisch Wellenlängen vom nahen Ultraviolet, bis hin zur Infrarotstrahlung von 25 Mikrometern analysiert werden.
Jeder Spiegel der vier Hauptteleskope hat eine Dicke von nur 18 cm und würde sich unter seinem eigenen Gewicht und durch Temperaturschwankungen verformen. Diese Verformung wird durch unter den Spiegeln angebrachten, hydraulisch verstellbaren Stempeln ausgeglichen und somit eine noch höhere Präzision in der Auflösung erzielt.

LBT

Das Large Binocular Telekop befindet sich momtentan noch im Bau und soll Ende diesen Jahres zumindest mit einem Teleskop an den Start gehen. Das Teleskop funktioniert wie ein riesiges Fernglas und besteht somit aus zwei parallelen Teleskopen mit jeweils 8,4 Metern Durchmesser. Diese werden mit Hilfe eines Instruments, das sich LINC-NIRVANA nennt, in einer Brennebene gebündelt und mit Hilfe der Interferometrie überlagert. Theoretisch entspricht die damit erzielte Auflösung einer Spiegeloberfläche von 23 Metern Durchmesser. Die Lichtempfindlichkeit ist so ernorm, dass sich aus einer Entfernung von 2,5 Mio Kilometern noch eine Kerze erkennen lassen würde.
Durch eine sogenannte Adaptive Optik, die wiederum im Instrument LINC-NIRVANA eingebunden ist, werden Luftspiegelungen weitgehend ausgeschaltet. Dieses Instrument wird im Laufe des Jahres 2007 fertig eingebaut, womit das Teleskop seine volle Leistungsfähigkeit erreichen wird.

W.M. Keck Observatory

Das W.M. Keck Teleskop befindet sich in Hawaii auf dem erloschenen Vulkan Mauna Kea und ist mit seinen beiden 10-Meter Spiegeln das größte Teleskop der Welt.
Es arbeitet sowohl im Optischen- als auch im Infrarotbereich und kann ebenfalls mit Hilfe adaptiver Optik und der Interferometrie zu einem Teleskop vereint werden und Luftspiegelungen ausgleichen.
Der vollständige Betrieb des Teleskops wurde bereits zwischen 1993 mit einem Teleskop und 1996 dann mit beiden Teleskopen aufgenommen.
Im Gegensatz zu Teleskopen der neuen Generation besteht jeder Spiegel aus 36 hexagonalen Elementen, die sich zusammen zu einem Gesamtdurchmesser von jeweils 10 Metern vereinen, wodurch sich die Konstruktion der Hauptspiegel wesentlich vereinfachen ließ.

APEX-Teleskop

Ein neues Teleskop in der Wüste Chiles, das unter Leitung des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie gebaut wurde, untersucht Gas- und Staubwolken im All.

Aus der Strahlung mit Wellenlängen im Submillimeter-Bereich lassen sich chemische und physikalische Bedingungen in solchen Molekülwolken erschließen.
Diese wiederum ermöglichen Erkenntnisse über die Entstehungsmechanismen von Sternen und Planeten, wie das Max-Planck-Institut in Bonn zum offiziellen Betriebsbeginn des APEX-Teleskops mitteilte.

Das Radioteleskop wurde in 5100 Metern Höhe in der Atacama-Wüste aufgestellt, weil dort durch die Höhe und die Trockenheit der wichtigste Störfaktor weitgehend ausgeschaltet ist: Die Strahlung im Submillimeter-Bereich wird sonst durch Wasserdampf in der Atmosphäre geschluckt.

Weltraumteleskope

Planck Mission

Das Planck Observatorium wurde zusammen mit dem Herschel Teleskop am 14.Mai 2009 von einer Ariane 5 Rakete ins All gebracht und nahm nach sechs Wochen Reisezeit und einer erfolgreichen Abkühlung der Instrumente auf -273,05 Grad Celsius, seine Arbeit im L2 Orbit (Second Lagrange Point) auf.
Planck ist im Grunde ein verfeinertes System zur Aufnahme der Microwellen Hintergrundstrahlung, die bereits von COBE und WMAP kartographiert wurde. Planck wird also eine noch wesentlich hoch auflösendere Karte der Hintergrundstrahlung erstellen und dabei die Polarisation und Anisotropie der ersten Strukturen, 370 000 Jahre nach dem Urknall, mit einer 10-fach höheren Empfindlichkeit und 3-fach höheren Auflösung als WMAP messen.
Bereits 2010/2011 werden erste Ergebnisse erwartet, die womöglich unser Bild über das Universum revolutionieren könnten. In erster Linie erwartet man, genaueres über die Topologie unseres Universums zu erfahren (flach, gekrümmt). Ist das Universum endlich oder dehnt es sich unendlich aus? Gibt es Hinweise auf eine Inflation oder auf primordiale Gravitationswellen kurz nach dem Urknall? Wie haben sich erste Strukturen (Galaxien, Galaxienhaufen) gebildet? Stimmt unsere Vorstellung und die bereits gemessenen Energieanteile der Dunklen Materie und der Dunklen Energie im Universum?
Womöglich werden wir bereits in naher Zukunft genaueres über all diese Fragen erfahren.

Planck auf Kosmologs

Kepler Mission

Das Kepler Teleskop wurde am 06.März 2009 von einer Delta-II Trägerrakete ins All gebracht und nahm eine heliozentrische Bahn, ähnlich der Erbahn um die Sonne ein.
Das Herzstück des Teleskops ist das "Kepler Photometer". Hierbei handelt es sich im Grunde um ein Schmidt Teleskop mit einer 0.95 Meter Apertur, einem Sichtfeld von 12 Grad und einer Oberfläche von 105 cm. Das Photometer wurde als "ein Instrument" entwickelt, auf dem sich ein Array aus 42 CCD Chips befindet. Jeder 50x25 mm Chip nimmt 2200x1024 Pixel auf. Die CCD's werden alle drei Sekunden ausgelesen, um eine Sättigung zu vermeiden. Vor allem werden lediglich die Informationen ausgelesen, bei welchen es sich um Sterne mit einer scheinbaren Helligkeit größer mag 14 handelt.
Das Instrument ist so empfindlich, dass es den Transit eines erdähnlichen Planeten innerhalb von 6,5 Stunden nach Eintritt vor einem sonnenähnlichen Stern mit m_v=12 G2V erkennen kann.
Das Photometer wurde dafür ausgelegt bis zu 100 000 Objekte dauerhaft und gleichzeitig zu beobachten.

Das primäre Ziel dieser Mission wird es also sein, so viele Transitplaneten wie möglich zu detektieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wird vorwiegend eine sehr sternenreiche Region im Cygnus Arm unserer Galaxie untersucht. Aus folgenden Gründen hat man sich für diese Region entschieden:
1. Sie liegt im Winkel von 55 Grad zur Sonnenebene, wodurch sich das Sonnenlicht von der Optik des Teleskops abschirmen lässt.
2. Die Region lässt sich das ganze Jahr über beobachten und wird weder von der Sonne noch von Asteroiden oder Kuiper-Gürtel-Objekten beeinflusst.
3. Bereits gewonnene Daten vom Palomar Observatory Sky Survey lassen darauf schließen, dass es in dieser Region ca. 223 000 beobachtbare Objekte mit m_v<14 gibt. Man geht dabei von ca. 61%, also geschätzten 136 000 beobachtbaren Hauptsternen aus. Das Hauptziel der Mission im ersten Jahr wird es sein, die aktivsten Zwergsterne herauszufiltern, was die Zahl der relevanten Sternsysteme nochmals um ca. 25% auf somit 100 000 reduziert.

Hubble Space Teleskope

Das HST ging nach anfänglichen Schwierigkeiten 1990, nach einer spektakulären Reparaturaktion im Dezember 1993 fehlerfrei an den Start und wurde 1999 nochmal komplett runderneuert. Dabei wurde ein neuer Computer, sowie 6 Gyroskope die zur Ausrichtung Hubble's notwendig sind, eingebaut.
Der Orbit des Teleskops befindet sich in einer Höhe von 600 Km um die Erde, wobei ein Umlauf ca. 100 Minuten dauert.
Der Arbeitsbereich von Hubble liegt sowohl im Bereich der sichtbaren Wellenlängen des Lichts, als auch im Ultraviolett und im Infrarotbereich. Dazu dient ein Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 2,4 Metern, an den diverse Spektrographen und optische Kameras zur Aufnahme gekoppelt sind.
Die größten Erfolge von Hubble wurden in Bereichen erzielt, die nie zuvor ein Mensch gesehen hat. Dabei wurden Aufnahme angefertigt, die Galaxien zeigen, wie sie vor über 13 Mrd. Jahren entstanden sind. Sehr viel profitiert hat auch die Eichung kosmischer Entfernungen durch die Beobachtungen von Cepheiden innerhalb naher Galaxien. Auch konnten letztendlich Schwarze Löcher innerhalb Kernregionen von Galaxien bestätigt werden.
Die Dienstzeit des Teleskops sollte voraussichtlich im Jahr 2010 enden und danach an ein Nachfolgeteleskop wie das JWST übergehen. Dieser Plan ist allerding aufgrund des Columbia-Unglücks in der Schwebe, da sich geplante Wartungarbeiten verschoben bzw. abgesagt wurden.

Spitzer Space Teleskope

Dieses Teleskop arbeitet ausschließlich im Infrarotbereich zwischen 3 und 180 Mikrometern und befindet sich seit August 2003 im Einsatz. Da Infrarotstrahlung durch die Erdathmosphäre gefiltert werden würde, und um das Teleskop gegenüber thermischer Strahlung von der Erde abzuschirmen, befindet es sich in einer heliozentrischen Bahn ausserhalb des Erdorbits.
Um zusätzlich auszuschließen, dass die Eigenwärme des Teleskops, bzw. die Wärmeeinstrahlung der Sonne, den Empfang beeinflussen, werden alle Instrumente mit Hilfe eines Helium-Kryostaten auf nahezu -273°C gekühlt.
Mit seinem 0,85 Meter Durchmesser großen Spiegel und einem kleineren Spiegel aus Beryllium, gilt es als größtes
Weltraumteleskop im Infrarotbereich das sich momentan im Einsatz befindet.
Mit dem Spitzer Teleskop werden vorwiegend die Entstehung von Planetensystemen, Galaxien und protoplanetaren Scheiben erforscht.

Chandra

Als Röntgensatellit zählt Chandra zusammen mit dem Hubble, dem CGRO (mittlerweile ausser Dienst gestellt) und dem Spitzer Teleskop zu einem NASA-Programm, das sich Great Observatory Program nennt. Chandra ist das größte Objekt, das jemals von einem Spaceshuttle ins All transportiert wurde.
Um das Elektromagnetische Beobachtungsspektrum im Bereich von 0,1 Picometer - 10 Nanometer abzuschließen, arbeitet dieses Teleskop im Bereich der Röntgentrahlung und erreicht eine Auflösung von 0,5 Bogensekunden.
Es befindet sich in einer elliptischen Umlaufbahn um die Erde, die 200 mal höher liegt als die von Hubble und sich zu 85% ausserhalb des Strahlungsgürtels (Van Allen Gürtel) befindet.
Chandra dient der Erforschung jeglicher Röntgenquellen, wie z.B. Schwarze Löcher, Galaxienzentren (Quasare), und Interstellare Staubwolken, bis zu einer Entfernung von ca. 10 Mrd. Lichtjahren.

Teilchenbeschleuniger

Large Hadron Collider (LHC)

Im Jahr 2008 soll der Large Hadron Collider LHC beim Forschungszentrum CERN in Genf in Betrieb gehen. Mit Kollisionsenergien im Bereich von Teraelektronenvolt wird der 26,7 Kilometer lange Beschleuniger der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt sein.

Der nach einer langjährigen Planungs- und Vorbereitungsphase derzeit im Bau befindliche Large Hadron Collider LHC am CERN in Genf wird allgemein als das "Flaggschiff" der Hochenergiephysik in den nächsten zehn bis zwanzig Jahren angesehen. Hier werden in Proton-Proton-Kollisionen die Zusammenstöße zwischen ihren elementaren Bausteinen - den Quarks und Gluonen - bei bisher unerreichten Energien im TeV-Bereich (1 Teraelektronenvolt = 10¹² Elektronenvolt) untersucht.

Sowohl der Beschleuniger als auch die vier Detektoren (ATLAS, CMS, LHCb und ALICE) werden in weltweiter Kooperation von Forschergruppen aus 34 Ländern entwickelt und gebaut. Mit einer geplanten Proton-Proton-Schwerpunktsenergie von 14 TeV wird der LHC für lange Zeit der weltweit leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger sein und Bedingungen für Reaktionen erzeugen, die zu Zeiten von etwa 10^-13 bis 10^-14s nach dem Urknall von Bedeutung waren. Die Protonkollisionsenergie von 14 TeV ist hoch genug, um elementare Reaktionen - also Reaktionen zwischen Quarks und Gluonen - im TeV-Bereich zu erzeugen. Der LHC kann alternativ mit schweren Ionen betrieben werden, wobei die pro Kollision frei werdende Energie 1150 TeV beträgt - 30-mal mehr als am Schwerionenbeschleuniger RHIC in Brookhaven (USA), der die derzeit höchste Energie für Schwerionenkollisionen liefert. Damit können experimentelle Bedingungen für Reaktionen erzeugt werden, wie sie kurz vor dem so genannten QCD-Phasenübergang etwa 10^-6 s nach dem Urknall existierten, bevor aus den ursprünglich vorhandenen freien Quarks und Gluonen Hadronen wurden.

Bautechnisch in demselben Beschleunigertunnel aufgebaut wie LEP, steht der LHC als Hadronbeschleuniger eher in historischer Linie mit den Proton-Antiproton-Collidern Sp p S bei CERN und Tevatron bei Fermilab in Chicago, USA. Es wird erwartet, dass das wissenschaftliche Potenzial von LHC an die mit der Entdeckung der schweren Kraftteilchen W und Z (am Sp p S) und des Top-Quarks (am Tevatron) herausragenden Leistungen seiner Vorläufer anknüpfen wird.

Zukunftsprojekte

JWST - James Webb Space Telescope

Dieses Teleskop wird voraussichtlich im August 2011 das berühmte Hubble-Teleskop ablösen. Der Standort des JWST befindet sich ca. 1,5 Mio Kilometer von der Erde entfernt, im sogenannten L2 Orbit (Lagrange Point) des Erde-Sonne Systems.
Ein 6,5 Meter-Spiegel der für den Infrarotbereich ausgelegt ist, wird Galaxien und Sterne aus den Anfängen unseres Universums aufnehmen und erforschen.