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Die neue Astronomie

Das Ende der Riesenteleskope?

Dies ist ein Artikel über die Renaissance der erdgebundenen Teleskope, die in den Achtzigern durch neue Technologien neue Bereiche erschlossen haben. Dabei sah es vor 50 Jahren ganz anders aus. 1948 wurde das 5 m Teleskop von Mount Palomar eingeweiht und es blieb für über 40 Jahre das größte nutzbare Teleskop der Welt. "5 m Teleskop" heißt, das der Teleskopspiegel, der das Licht sammelt, einen Durchmesser von 5 m hat. Das Gebäude selbst ist erheblich größer.

Der Bau dauerte damals über ein Jahrzehnt und zeigte deutlich die technischen Probleme auf die große Teleskope aufwerfen: Ein Spiegel besteht aus Pyrex, Glaskeramik, wie sie auch in Kochfeldern verwendet wird. Dies war damals ein ganz neues Material, ohne das man den Bau eines solchen Spiegels nie gewagt hätte. Die Wärmeausdehnung dieses Materials ist sehr gering. Dies ist wichtig, denn ein Spiegel muss, egal wie groß er ist, immer auf einen Bruchteil der Wellenlänge des Lichts (0.4-0.8 µm) genau eine berechnete Form haben. Natürlich ist aber die Wärmeausdehnung proportional zur Größe.

Pyrex verformt sich jedoch bei Spiegel in 5 m Größe durch das Eigengewicht, denn nur wenn der Spiegel senkrecht nach oben sieht, ist er waagerecht gelagert sonst immer schräg. Um dies zu vermeiden muss man den Spiegel sehr massiv d.h. dick machen. Dadurch steigt das Gewicht des Spiegels wie auch der Zelle die ihn hält. Dies macht wiederum eine sehr viel schwere Montierung nötig. Beim 5 m Teleskop von Mount Palomar wogen alle beweglichen Teile mehr als 500 t die mit höchster Präzision nachgeführt und ausgerichtet werden.

So scheiterte der Bau eines noch größeren Teleskop in der Sowjetunion von 6 m Größe. Das Teleskop erreichte nie die geplante Leistung durch optische Mängel. In der Folgezeit erschienen zwar weitere Teleskope von 2.5 bis 4 m Größe, keines machte aber die Anstalten den 5 m Spiegel an Größe zu übertreffen. Da die Kosten bei einer Verdoppelung des Durchmessers um den Faktor 6 stiegen, erschien es ökonomischer dafür mehrere kleinere Instrumente zu bauen.

Der Aufbruch in den Weltraum

Hubble Space TeleskopeLange Zeit war die optische Beobachtung das einzige Fenster in den Weltraum. Von dem Spektrum elektromagnetischer Wellen stand nur das kleine Fenster von 0.4-0.8µm zur Verfügung. Unterhalb von 0.4 µm fängt der Ultraviolettbereich an, der bald von der Atmosphäre blockiert wird - zum Glück für uns Menschen. Auch die noch kurzwelligere Röntgen und Gammastrahlung wird vollständig blockiert. In den 30 er Jahren entdeckte man Radioemissionen aus dem Weltall - diese langwelligen Strahlen können die Atmosphäre durchdringen sofern ihre Frequenz kleiner als etwa 20-30 GHz ist. Bei kleinen Wellenlängen absorbieren wiederum Moleküle in der Atmosphäre vor allem Wasserdampf. Das gilt auch für einen Großteil der Infrarotstrahlung für die es aber einige kleine Fenster gibt.

Bald ergänzten Radioteleskope die optischen Teleskope. Doch die frühen fünfziger Jahre waren auch geprägt von den ersten Versuchen die blockierende Atmosphäre zu überwinden, zu sehen ob es auch Strahlung von Himmelskörpern in anderen Wellenbereiche gibt. Ballone stießen in Höhen über 20 km auf und ließen so einen Großteil der Atmosphäre hinter sich. Teleskope konnten hier Infrarotstrahlung nachweisen und auch bessere Aufnahmen im Optischen machen. Raketen führten Messgeräte für UV Strahlung und Röntgenstrahlen mit sich und man entdeckte die Solare Röntgenstrahlung.

Bald folgten diesen ersten Versuchen Flüge von Satelliten. Die OAO Serie testete die Technik der Beobachtung mit Satelliten: Sie führten viele kleine Teleskope im UV Bereich mit Spektrometern und Detektoren mit sich und verbesserten die Technik einen Satelliten punktgenau auf ein Objekt über längere Zeit auszurichten. Diesen folgten bald weitere Nachfolger Der IUE (International Ultraviolett Explorer) führte ein 45 cm Teleskop mit sich und untersuchte über 20 Jahre lang UV Quellen. Dessen Nachfolger ist der EUVE, der seit 1992 im extremen UV arbeitet.

Im Röntgenbereich zählten die ersten Satelliten des SAS Programms und der europäische Exosat nur Quellen, ihre Zähler konnten keine Bilder machen. Dies gelang mit den Satelliten der zweiten Generation der HEAO Serie ab 1978. Die bisher umfangreichsten Erkenntnisse lieferte der deutsche ROSAT mit 10 mal besserer Auflösung als die HEAO Serie ab 1990. Die neuesten Großobservatorien im Orbit Chandra und XMM übertreffen ROSAT in Auflösung (Chandra) oder Empfindlichkeit (XMM) bei weitem.

Im Gammastrahlenbereich kam der erste Pioneer COS-B von der ESA. 1991 wurde GRO gestartet - Das Gammastrahlenobservatorium ist mit 15 t Gewicht der größte bisher gestartete Astronomiesatellit. Erstaunlicherweise ist der Himmel auch voll von Gammastrahlung obgleich diese nur bei hohen Temperaturen und Energien entstehen kann. Bestimmte Objekte bilden sogar explosionsartige Ausbrüche.

UV, Röntgen und Gammastrahlenemissionen stammen von sehr heißen Objekten wie der Akkretionsscheibe um ein schwarzes Loch. Anders ist es bei der Infrarotstrahlung. Hier ist allerdings ein technisches Problem zu lösen. Infrarotstrahlung ist thermische Strahlung. Sie entsteht nicht bei heißen Quellen sondern bei Temperaturen wie Zimmertemperatur. Man muss Spiegel und Empfänger extrem kühlen um deren Eigenstrahlung zu minimieren. Das geht bisher nur indem man den ganzen Innenteil des Satelliten in flüssiges Helium (nur 3 Grad über dem absoluten Nullpunkt) taucht welches dann langsam verdampft. So hatten die bisher gestarteten Infrarotsatelliten IRAS und ISO nur eine Operationsdauer von 9 bzw. 29 Monaten.

Die Sonne selbst war Ziel zahlreicher Observatorien wie Skylab, SMM und SOHO. Dazu kommen die zahlreichen Missionen zu den Planeten. Das wohl bekannteste Teleskop ist jedoch das Hubble Weltraumteleskop - das erste Großteleskop im Weltraum.

Die Renaissance

very Large Teleskope (VLLT, ESO)Ohne das die Teleskope größer wurden, wurde in den achtziger Jahren die Leistung auf der Erde gesteigert durch eine neue Technologie. Die CCD Detektoren welche die Photographie ergänzt haben und daran sind diese abzulösen. Photoplatten fangen 2-5 % des Lichtes auf, CCD Detektoren 80-95 %. Das bedeutet das ein 1 m Teleskop mit CCD Detektoren die gleiche Leistung, wie ein 5 m Spiegel mit Photoplatten erbringt. Der größte Nachteil ist die kleine Bildfeldgröße. Fotoplatten haben bis 30 × 30 m Abmessung. Dagegen haben die größten CCD Detektoren nur 2 cm Kantenlänge. Doch inzwischen gibt es ganze Arrays die 16 oder 64 Millionen einzelne Bildpunkte aufweisen, und dann auch größere Abmessungen haben.

Doch auch im Teleskopbau ging es weiter. Es galt neue Wege zu suchen um größere Teleskope bezahlbar zu bauen. Der erste Ansatz war das MMT in Arizona. MMT steht für Multi-Mirror Teleskop: Es ist ein Teleskop aus 6 Spiegeln von je 1.8 m Durchmesser, deren Brennpunkte zusammengeführt werden und so einen 4.5 m Spiegel bilden. Allerdings sind 6 Teleskope à 1.8 m wesentlich preiswerter und auch die gesamte Montierung ist wesentlich kompakter und leichter. Aufbauend auf dieser Erfahrung des Zusammenführens mehrerer Teleskope basieren fortgeschrittene Giganten der 8 und 10 m Klasse wie das Keck Teleskop (10 m), die vier VLT (8.2 m) und das LBT (12 m).

Damit man solche Teleskope bauen kann, wurde in den achtziger Jahren beim NTT (New Technologie Teleskope) der ESO eine neue Technik erprobt. Anstatt einen massiven Spiegel zu bauen, der immer dicker wird, bei zunehmender Größe, entschied man sich für einen dünnen Spiegel. Dessen Verformung durch Aktoren gesteuert wird. Damit konnte nicht nur die Eigenverformung bekämpft werden sondern auch ein Teil der Luftunruhe kompensiert werden. Eine azimutale Montierung - in waagerechter und senkrechter Achse, anstatt wie üblich parallel zur Ekliptik half weiterhin Kosten zu sparen, da sie leichter ist. Moderne Computersteuerung ermöglichte es die Steuerung in zwei anstatt einer Achse zu ermöglichen. Das NTT war 1985 mit 35 Millionen DM Gesamtkosten erheblich billiger als das kurz vorher hergestellte 3.5 m große Teleskop Deutschlands welches 70 Millionen DM kostete.

Uranuas aufgenommen von HubbleDiese Technik einer azimutalen Montierung gekoppelt mit Aktoren die den Spiegel aktiv verformen, ist inzwischen umgesetzt. So entstehen ab 1990 nun Teleskope in der Größe von 8-12 m und erste Pläne für Teleskope im Bereich von 20-30 m existieren schon. Im infraroten Strahlungsbereich ist es auch möglich einen Großteil der Luftunruhe durch die Aktoren auszugleichen und die Teleskope Keck und VLT haben in diesem Spektralbereich schon Aufnahmen gemacht die mit dem Hubble Teleskop konkurrieren können, d.h. beugungsbegrenzt sind. Um dies zu verdeutlichen finden Sie auf dieser Seite zwei Aufnahmen: Eine von Hubble (2.38 m Spiegeldurchmesser) und eine vom Keck Teleskop (10 m Spiegeldurchmesser). Beide angefertigt im nahen Infraroten, da nur dort die Atmosphäre durchsichtig ist.

Man sieht, vor allem, wenn man sich auf die Details der Ringe konzentriert, dass das Keck Teleskop besser auflöst. Beide Aufnahmen wurden in etwa zum selben Zeitpunkt aufgenommen (HST Aufnahme Januar 2004, Keck Aufnahme Juli 2004).

Man hofft durch noch schnellere und leistungsfähigere Computer dies noch steigern zu können. Dabei sind die neuen Teleskope zwar absolut teuer - ein 10 m Teleskop kostet zirka 350 Millionen DM, doch im Vergleich zu einem Satelliten ist dies preiswert. Anstatt Hubble zu starten hätte man mit den bisher aufgewendeten Geldern auch 7 Teleskope à 10 m oder über 100 Teleskope von 2.5 m Große (das ist die Größe von Hubble) auf der Erde bauen können. Es ist daher zu wünschen, das auch weiterhin die erdgebundene Astronomie leistungsfähige Instrumente erhält. Deutschland besitzt leider nur ein eigenes 3.5 m Teleskop auf dem Calar Alto sowie ein 3.5 m Teleskop welches beim Eintritt in die ESO in die Gemeinschaft eingebracht wurde. Seit dem Eintritt in die ESO hat Deutschland anders, als andere Mitgliederländer keine eigenen Teleskope mehr entwickelt, ist jedoch führend beim VLT und NTT beteiligt. Im Bereich des sichtbaren Lichtes steigt der Aufwand für Aktoren stark an, so dass in diesem Wellenbereich immer noch weltraumgestützte Teleskope wichtig sind. Hier ist eine Kompensation der Luftunruhe auf der Erde nur teilweise möglich, man erreicht nicht das volle Auflösungsvermögen eines Teleskops.

Es ist wichtig beide Teile der Instrumente zu haben: Einerseits Satelliten die Frequenzbereiche erschließen die von der Atmosphäre ausgefiltert werden, andererseits moderne Teleskope am Boden die preiswert sind, größer und einfacher durch neue Instrumente erweiterbar. Als Bindeglied zwischen beiden Teilen arbeiten fliegende Teleskope an Bord umgebauter Verkehrsflugzeuge wie Sofia mit einem 2.5 m Teleskop - so groß wie Hubble - jedoch deutlich preiswerter im Bau und Betrieb. Es gibt auch schon Pläne Teleskope an Bord von Solarangetriebenen Ballons in großer Höhe zu stationieren. Derartige Instrumente können im Vergleich zum Boden besser im mittleren Infrarotbereich arbeiten und haben eine höhere Auflösung weil ein Großteil der turbulenten Atmosphäre unter Ihnen liegt.

Uranus aufgenommen von KeckDie nächsten Projekte gehen von noch radikaleren Plänen aus. Anstatt einem dünnen Spiegel wird man versuchen ein Teleskop durch Kombination sehr leichter Elemente aus Kohlenfaser-Graphit zu bauen. Diese werden pro Flächeneinheit weniger als ein Zehntel eines herkömmlichen Spiegels wiegen, und damit sollen Giganten von 30, ja sogar 100 m Größe möglich sein. Doch dies steht noch in den Sternen. Erst einmal wird man die Technik der adaptiven Optik und der Interferometrie (das Koppeln von mehreren Teleskopen zu einem größeren) vervollkommnen müssen um solche Giganten angehen zu können.

Zumindest ein Projekt ist nun angegangen worden : Das Gigant Magellan Teleskop (GMT) soll aus 7 Spiegeln von je 8.4 m Durchmesser bestehen und das Lichtsammelvermögen eines 21.4 m Teleskops besitzen. Ende 2004 wurde der kontrakt für den ersten Spiegel unterzeichnet. Fertig wird das Instrument jedoch nicht vor 2016 werden. Die folgende Aufstellung zeigt die seit 1990 umgesetzten neuen Großteleskope:

Ende 2004 ist noch das GTC (Grand Canarian Teleskop) mit 10 m Öffnung in der Bauweise von Keck mit kleineren hexagonalen Spiegeln und das TIM - Telescopio Infrarrojo Mexicano ebenfalls mit segmentierten Spiegeln und 7 m Öffnung in Bau.

Ist Hubble damit überflüssig ?

Wie immer ist ein Vergleich von Äpfel mit Birnen. Nachdem beschlossen wurde Hubble nicht mehr zu warten kommt auch die Diskussion auf ob die dadurch eingesparten Gelder (1 Mrd. USD) nicht in anderen Projekten besser aufgehoben sind. Gerechterweise muss man Hubble mit einem Teleskop vergleichen dass gebaut wurde als es entwickelt wurde, also z.B. das deutsche 3.5 m Teleskop oder das NTT. Im Vergleich zu diesen ist es nur wenig kleiner und erheblich leistungsfähiger. Natürlich wird nun Hubble von irdischen Teleskopen Konkurrenz gemacht. Im Infraroten erreichen Keck und VLT dieselbe Auflösung wie Hubble und sammeln mehr Licht. Im sichtbaren Licht ist die Auflösung noch schlechter als bei Hubble, weil die adaptive Optik hier nicht schnell genug nachregeln kann.

Hubble hat immer noch Vorteile im Infraroten, da man die Detektoren besser kühlen kann und es gibt einen dunkleren Himmel, was für Langzeitbelichtungen oder extrem schwache Objekte wichtig ist.

Der Nachteil von Hubble ist, dass seine Betriebskosten so enorm hoch sind. Das Space Teleskope Science Institute hat einen Jahresetat von 230 Millionen USD. Mit diesem wird der Betrieb von Hubble und die Instrumente bezahlt. Der Start der Service Missionen bezahlt die NASA. Bei der zweiten Service Mission war von Kosten in Höhe von 674 Millionen USD die Rede. Leider wurde nicht bekannt ob dies den Shuttle Start (geschätzte Kosten 400-500 Millionen USD) mit enthält.

Zwar kann man durch diese Service Missionen Hubble laufend mit besseren Instrumenten ausrüsten, aber ein Shuttle Start ist auch nicht billig. Beim Nachfolger von Hubble, dem NGST mit einem 6.5 m großen Hauptspiegel ist daher auch keine Modernisierung geplant. Eine Initiative die eine Alternative zu der Hubble Service Mission 4 vorschlug rechnete vor, dass ein Nachbau von Hubble ohne Instrumente mit 800-1000 Millionen USD genauso teuer wäre und man in ein zweites Hubble die Instrumente einbauen könnte.

Hätte man dies von Anfang an gemacht, so hätte man mit dem Geld für 4 Service Missionen auch 2-3 Nachbauten finanzieren können und dann gäbe es heute 3-4 Hubbles im Orbit, die natürlich viel mehr Objekte beobachten können. Vom NGST erwartet man sich einen deutlichen Sprung im Vergleich zu Hubble, da sein Spiegel mehr als doppelt so groß ist. Damit ist es auch wieder irdischen Teleskopen überlegen und wird diese ergänzen können. Anders als Hubble wird es aber nur im Infraroten Spektralbereich arbeiten. Ich denke Hubble war ein teures Teleskop, aber auch ein sehr leistungsfähiges. Man hätte sich durch den Nachbau und unbemannten Start Geld sparen können, aber das hätte wohl an der Existenzberechtigung des Space Shuttles Zweifel gerührt (Die Reparatur und Wartung von Hubble galt immer als eines der Vorzeigeprojekte wofür der Shuttle imstande ist). Natürlich ist ein weltraumgestütztes Teleskop teurer, doch es leistet auch mehr. Solange man beide Bereiche fördert ergänzen sie sich.

Deutsche Ambitionen

Deutschlands Engagement ähnelt in gewisser Art dem bei der Raumfahrt. Auch hier folgten ersten eigenen Satelliten bald der Eintritt in die ESA und damit ein sehr kleines nationales Programm. In der Astronomie ist es ähnlich. 1976 wurde das erste deutsche Großteleskop auf dem Calar Alto in Betrieb genommen. Es hat einen Durchmesser von 2.2 m. Ein baugleiches Schwesterinstrument bekam die ESO in Chile, als Eintrittsgeschenk Deutschlands in die ESO. 1983 folgte diesem ein 3.6 m Teleskop ebenfalls auf dem Calar Alto stationiert. Seither ist Deutschland führend bei den neuen Projekten der ESO beteiligt, sei es beim NTT oder VLT. So wurde die 8.2 m Spiegel des VLT von Schott gefertigt. Es gibt auch eine 25 % deutsche Beteiligung am LBT, dem Large Binocular Teleskop. Dies sind zwei 8.4 m Teleskope die zusammen ein 11.8 m Teleskop ergeben sollen.

Andere ESO Mitgliedstaaten wie England haben durchaus noch zusätzliche nationale Teleskope, und inzwischen verfügen selbst Nationen mit keiner so großen Historie in der Astronomie wie z.B. Japan, Südafrika, Spanien und sogar Mexiko über Teleskope im der Größenordnung von 6-10 m oder sind derartige im Bau. Dabei hätte man die Erfahrungen beim VLT nutzen können und sogar Kosten einsparen können indem man einen oder zwei Teleskope im Anschluss an das VLT mit identischer Technik baut. Kann sich unser Land nicht ein Großteleskop leisten ?

Wie schon erwähnt sind Großteleskope gar nicht so teuer (wenn man sie mit den Kosten für Satelliten oder Teilchenbeschleunigern vergleicht). Zudem haben derartige Instrumente sehr lange Nutzungsdauern: 25 Jahre wurden für das VLT veranschlagt, doch bislang sind alle Großteleskope über 2 m Große die im 20 sten Jahrhundert gebaut wurden mit 2 Ausnahmen noch voll in der Nutzung. Mit 10 % des Budgets das die Raumfahrt in Deutschland erhält, könnte man 4 Großteleskope bauen und erhalten. Vielleicht gibt es nach dem Weltraumprogramm, das 2002 verabschiedet wurde auch mal ein Astronomieprogramm?



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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