Astronomie: Die Ausdehnung des Horizonts

Liebe Astrofreunde,

heute geht es um die Ausdehnung des Horizonts.

Das Sternbild Skorpion ist aufgrund seiner südlichen Lage in Mitteleuropa nur im Sommer zu sehen. Diese Aufnahme entstand in Kroatien. © Stefan Binnewies und Rainer Sparenberg (Ausschnit

Als im Jahr 1248 der Grundstein des Kölner Doms gelegt wurde, konnten die Baumeister nicht vorhersagen, wie lange die Errichtung der Kathedrale dauern würde. Sie wussten zwar, wie sie die Sache anzugehen hatten und wie ihre Kirche aussehen sollte. Doch ob der Bau wirklich gelingen würde oder ob ihnen die Gelder ausgehen, die Arbeiter davonlaufen oder ob Kriege das bereits Errichtete zerstören würden – das wussten sie nicht. Sie konnten nur darauf hoffen, dass nachfolgende Generationen ihr Werk beenden würden. Ihr kühnes Vorhaben baute letztlich auf ein Fundament aus Zuversicht.

Dasselbe gilt für die Astronomie. Wer die unendlichen Weiten des Alls erforschen will, braucht ähnlich viel Zukunftsglauben wie die mittelalterlichen Baumeister. Das zeigen zwei astronomische Großprojekte, die in diesen Tagen Schlagzeilen machen. Das eine ist das James Webb Space Teleskop, das nach jahrzehntelangem Bau mittlerweile im Weltall schwebt und demnächst offiziell in Betrieb genommen werden soll. Damit erreicht das größte, komplexeste und teuerste wissenschaftliche Weltraumprojekt aller Zeiten endlich sein Ziel. Das andere ist das nicht minder ambitionierte Einstein-Teleskop, das Gravitationswellen auffangen soll und erst am Anfang seiner Geschichte steht.

Vergangene Woche vereinbarten europäische Astronomen auf einer Konferenz in Budapest hoffnungsfroh eine Kollaboration zum Bau dieses Einstein-Teleskops – mitten in einer Kriegs- und Krisenzeit, in der fraglich ist, ob das Geld für ein solches Großgerät jemals bewilligt wird, ob die nötigen Materialien trotz brüchiger Lieferketten beschafft werden können und ob die europaweite Kooperation die nächsten Jahrzehnte überdauert. Dass die Wissenschaftler diesen Beschluss – ausgerechnet! – in Ungarn fassten, kann man wahlweise als Weltfremdheit interpretieren oder als Ausdruck ungebrochener Zuversicht: Trotz aller Konflikte, so die Botschaft der Himmelsforscher, geht die Ergründung des Alls weiter, widmet sich die Menschheit den großen Fragen nach dem Woher und Wohin.

Vergangene Woche vereinbarten europäische Astronomen auf einer Konferenz in Budapest hoffnungsfroh eine Kollaboration zum Bau dieses Einstein-Teleskops – mitten in einer Kriegs- und Krisenzeit, in der fraglich ist, ob das Geld für ein solches Großgerät jemals bewilligt wird, ob die nötigen Materialien trotz brüchiger Lieferketten beschafft werden können und ob die europaweite Kooperation die nächsten Jahrzehnte überdauert. Dass die Wissenschaftler diesen Beschluss – ausgerechnet! – in Ungarn fassten, kann man wahlweise als Weltfremdheit interpretieren oder als Ausdruck ungebrochener Zuversicht: Trotz aller Konflikte, so die Botschaft der Himmelsforscher, geht die Ergründung des Alls weiter, widmet sich die Menschheit den großen Fragen nach dem Woher und Wohin.

Das Einstein-Teleskop steht damit dort, wo vor mehr als dreißig Jahren das Webb-Teleskop startete. 1989 begann dessen Planung – damals existierte noch die Sowjetunion, im Kreml amtierte Michail Gorbatschow, und der Bundeskanzler hieß Helmut Kohl. Einige Jahre später saß ich als junger Journalist dem US-Astronomen Alan Dressler gegenüber, der das Planungskomitee für das neue Beobachtungsgerät leitete. Dabei erteilte mir der Amerikaner eine eindrückliche Lektion in Sachen Zuversicht.

Zunächst erläuterte Dressler die außergewöhnlichen Fähigkeiten seines geplanten Teleskops. Es sei geeignet, nach außerirdischem Leben und nach bewohnbaren Planeten zu suchen; dann schwärmte er davon, dass man vielleicht „in hundert Jahren eine Rakete bauen könnte, die einen in weiteren hundert Jahren dahin bringt“ (ZEIT Nr. 8/97).

Auf meine zweifelnde Frage, ob das nicht völlig illusionär sei, entgegnete Dressler: Sicher, die heutige Technik sei davon weit entfernt; aber er verstehe nicht, warum gerade Europäer solchen Ideen gegenüber skeptisch seien. Schließlich seien sie es doch gewesen, die fünfhundert Jahre lang an ihren Kathedralen gebaut hätten. „In den USA nehmen wir normalerweise kein Projekt in Angriff, das länger als zwei Jahre dauert“, scherzte Dressler. „Ihr Jungs habt den Langzeitrekord.“

Daran musste ich denken, als vor wenigen Tagen bekannt wurde, dass das Webb-Teleskop im All mit einem Mikrometeoriten kollidiert war. Kleine Bruchstücke hätten ein Segment des 18-teiligen Hauptspiegels getroffen, meldete die Nasa, und für eine Schrecksekunde hielt die Astronomen-Community den Atem an. Dann kam die Entwarnung: Die Funktion des Teleskops sei nicht beeinträchtig, alles laufe nach Plan.

„Wir wussten immer, dass das Webb den Bedingungen im All standhalten muss, inklusive grellem ultraviolettem Licht und geladenen Sonnenpartikeln, kosmischer Strahlung von exotischen galaktischen Quellen und gelegentlichen Treffern durch Mikrometeoriten“, erklärte Technikmanager Paul Geithner. Aber genau dafür habe man das Webb-Teleskop ausgelegt, mit genügend Reserven, um „die Leistung für seine anspruchsvolle wissenschaftliche Mission selbst nach vielen Jahren im Weltall zu sichern“.

Dabei war der Weg zum Erfolg des James Webb Space Telescope (JWST) – wie so oft bei ambitionierten Großprojekten – von zahlreichen Hindernissen und Pannen gesäumt. Die Kosten stiegen von ursprünglich anvisierten 500 Millionen Dollar nach und nach um das Zwanzigfache auf zehn Milliarden Dollar. Die Ingenieure mussten mehrmals umplanen, neuartige Materialien entwickeln, technische Schwierigkeiten überwinden und einen zwischenzeitlichen Finanzierungsstopp überstehen. Auch Naturgewalten bedrohten das Projekt: Während der Vibrationstests in Los Angeles ereignete sich ein Erdbeben – kurz nach einem heiklen Transport des kostbaren Geräts von einer Halle in die nächste. Und als das hochempfindliche Gerät in Houston 2017 seinen letzten Vakuumtest absolvierte, tobte draußen Hurrikan Harvey.

Mit unendlicher Zähigkeit räumten die Techniker und Wissenschaftlerinnen eine Schwierigkeit nach der anderen aus dem Weg. Schließlich gelang am ersten Weihnachtstag 2021 der (ursprünglich für 2007 geplante) Start. Als die Ariane-Rakete mit dem gut verpackten JWST vom europäischen Raumfahrtbahnhof im südamerikanischen Kourou erfolgreich abhob, war die Erleichterung unter Astronomen groß. „Halleluja!“, jubelte Dressler, der längst emeritiert ist, aber mit seinem Projekt noch immer mitfiebert.

Nach dem Start war das Teleskop 1,5 Millionen Kilometer im All unterwegs, bis es seinen Bestimmungsort erreichte, in der Nähe des sogenannten Lagrange-Punkts L2, der sich stets in vierfacher Mondentfernung über der Nachtseite der Erde befindet. Seither verlaufen alle Tests zur Zufriedenheit der Ingenieurinnen und Ingenieure. Anfang Juli soll das JWST endlich offiziell in Betrieb genommen werden.

An seinem fernen Außenposten wird es vor allem infrarote Wärmestrahlung einfangen. Die Suche nach bewohnbaren Planeten ist dabei nur eines von mehreren wissenschaftlichen Zielen. Unter anderem geht es darum, bis in die Anfangszeit des Universums vor 13 Milliarden Jahren zurückzuschauen. Das Licht der ersten Sterne aus dieser Zeit kommt wegen der raschen Ausdehnung des Alls heute als extrem schwache Wärmestrahlung bei uns an. Und die lässt sich nur fern der Erde beobachten, weil sonst die irdische Wärme alle kosmischen Signale überstrahlt. Deshalb muss das Infrarot-Teleskop möglichst weit entfernt von unserem Planeten seine Arbeit aufnehmen.

Anders verhält es sich mit dem Einstein-Teleskop, das die Europäer jetzt planen. Das muss nicht hinaus ins All – sondern tief unter die Erde. Etwa 200 bis 300 Meter unter der Erdoberfläche soll es die geheimnisvollen Gravitationswellen auffangen. Diese haben selbst eine Geschichte voller Hoffnung und Enttäuschung geschrieben: Sie beginnt mit Albert Einstein, der 1916, mitten im Ersten Weltkrieg, aus seinen Formeln ihre Existenz ableitete. Wenn im Weltall extrem schwere Massen in Schwung geraten – etwa Schwarze Löcher oder große Neutronensterne –, dann sagt die Relativitätstheorie voraus, dass sich dadurch der Raum selbst verändert; ihn durchläuft gewissermaßen ein Raumzittern. Dieses sei jedoch so fein, erklärte Einstein damals, dass es sich wohl niemals werde nachweisen lassen.

In den Sechzigerjahren wagte der Physiker Joe Weber den Versuch dennoch. Mit tonnenschweren Metallzylindern suchte er das Raumzittern zu messen – und wurde zunächst offenbar fündig. Kurzzeitig galt Weber als Held der Astrophysik. Dann rechneten Physiker nach und stellten fest, dass die angeblich gemessenen Signale nicht zu Einsteins Theorie passten. Andere Kollegen versuchten, seine Daten zu reproduzieren, und scheiterten. Aus dem Held wurde ein Außenseiter, der verbissen immer weiter experimentierte, aber von niemandem mehr ernst genommen wurde. Das gesamte Feld geriet in Verruf. „Gravitationswellen galten als esoterisch“, erinnert sich der Physiker Harald Lück vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover.

Einige wenige glaubten jedoch ungebrochen an einen Erfolg. Der Physiker Heinz Billing etwa verkündete öffentlich, er wolle so lange am Leben bleiben, bis die Gravitationswellen nachgewiesen seien. Der 1914 geborene Billing sollte recht behalten, auch wenn er dazu 102 Jahre alt werden musste: Im September 2015 gelang mit dem Ligo-Detektor in den USA erstmals der direkte Nachweis von Gravitationswellen.

Seither gilt das einst abseitige Forschungsfeld wieder als hot topic. Denn es hebt die Beobachtung des Kosmos auf eine ganz neue Stufe: Zuvor konnte man Sterne, Galaxien und andere Himmelskörper nur sehen – mit bloßem Auge oder mit Teleskopen im elektromagnetischen Spektrum; nun kann man sie mithilfe von Gravitationswellen auch hören – zwar nicht im tatsächlichen, aber im übertragenen Sinne.

Denn das Raumzittern gleicht eher einem akustischen Impuls als einem optischen. Deshalb sind die Instrumente, die ihn auffangen, auch keine Teleskope im üblichen Sinne. Sie gleichen eher Mikrofonen, die aufzeichnen, wie der Raum schwingt.

Dazu ist aber eine gigantische Apparatur nötig: Das Einstein-Teleskop soll aus drei je zehn Kilometer langen Röhren bestehen, die tief in den Untergrund getrieben werden, um alle Erschütterungen an der Erdoberfläche abzuschirmen. Laserlicht soll durch die luftleeren Röhren sausen und zwischen gekühlten Siliziumkristallen hin und her jagen. Würde die Apparatur von einem Raumzittern durchdrungen, veränderte sich die Laufzeit des Lichts minimal – und das könnte man nachweisen.

Die erwartbaren Effekte sind unvorstellbar klein: Eine Strecke von einem Kilometer Länge würde von einer Gravitationswelle um den hundertmillionsten Teil eines Atomdurchmessers verändert.

Immerhin: Das Einstein-Teleskop soll zehnmal genauer messen können als heutige Detektoren. Damit, so die Hoffnung der Forscherinnen und Forscher, ließe sich die Entstehungsgeschichte Schwarzer Löcher besser ergründen ebenso wie die Struktur des Weltalls unmittelbar nach dem Urknall.

Doch bevor es so weit ist, müssen erst einmal banale irdische Probleme gelöst werden. Die Aufgaben lauten: Standort finden, Finanzierung sichern, Politiker überzeugen.

Bisher sind vor allem zwei Regionen als Standorte in der Diskussion – Sardinien und das Dreiländereck zwischen Deutschland, Belgien und den Niederlanden. Jüngst hat sich auch die sächsische Lausitz ins Gespräch gebracht, die ein neues Zentrum der Himmelsforschung werden möchte (ZEIT Nr. 17/22). Denn ähnlich wie beim Kölner Dom – mit dem die Stadt Köln heute untrennbar verbunden ist – hoffen viele, dass der Ruhm solcher Großprojekte auch auf die Region abfärbt.

Noch härter als die Standortentscheidung dürfte jedoch das Gerangel um die Finanzierung werden. „Die amerikanischen Kollegen haben es da einfacher“, sagt Harald Lück, der jetzt Vorsitzender des Kollaborationsrats für das Einstein-Teleskop ist. In den USA habe man nur mit ein oder zwei Geldgebern zu tun. „Europa ist so heterogen, dass Sie mindestens zehn Finanzierungseinrichtungen überzeugen müssen.“

Das heißt: Die Astronomen brauchen vor allem Zuversicht und Durchhaltewillen. Lück hofft, dass vielleicht in zehn oder fünfzehn Jahren das Einstein-Teleskop in Betrieb gehen könnte, sagt aber selbst: „Das ist jetzt optimistisch gedacht.“

Der Kölner Dom brauchte übrigens 632 Jahre bis zur Vollendung im Jahr 1880. Auch beim Einstein-Teleskop ist es gut möglich, dass weder Sie noch ich je erfahren werden, welche Ergebnisse es einmal liefern wird. Doch die Wette auf die Zukunft gilt.

Es war wieder einmal ein spannendes Thema und man kann sehr viel Lernen, und es hilft uns es auch zu verstehen wie die Ausdehnung funktioniert.

der nächste Beitrag folgt, seit gespannt und kommt öfters auf meiner Webseite vorbei nur dann bekommt ihr die neuesten Nachrichten über die Astronomie.

Astroluxx

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