Plan für Riesenteleskop in Chile: Ein Spiegel in den Weltraum
In der Wüste im Norden Chiles entsteht ein neues Riesenteleskop, das die Astronomie verändern soll. Über den schwierigen Bau einer Zeitmaschine.
E s sind die Farben eines Sonnenuntergangs, die Joseph Anderson, Astronom an der Europäischen Südsternwarte (ESO) in der Atacamawüste im Norden Chiles, besonders inspirieren. „Am Anfang sind sie intensiv blau und türkis.
Und allmählich, wenn es lila wird, kommen wir der Beobachtung des Universums immer näher.“ Sobald die Nacht hereinbricht, wird der Himmel vom sternenbesetzten Bogen der Milchstraße dominiert. Ein atemberaubender Anblick, insbesondere auf über zweieinhalbtausend Metern Höhe.
Die Atacamawüste ist Standort für mehr als ein Dutzend verschiedener astronomischer Observatorien, und das aus gutem Grund. Sie ist weit entfernt von der Lichtverschmutzung der Zivilisation. Die Luft ist dünn und trocken, was den Effekt, den Astronom:innen „Luftunruhe“ nennen, vermindert. Diese stört, wenn man gestochen scharfe Bilder aufnehmen möchte. Daher die Wahl des Standorts: In der Atacama sind im Durchschnitt 325 Nächte pro Jahr wolkenlos.
Joseph Anderson steht auf einem Berg namens Cerro Paranal und zeigt auf das Very Large Telescope (VLT), das „sehr große Teleskop“. Das VLT besteht aus vier einzelnen Teleskopen, von denen jedes für sich allein bereits eines der größten der Welt ist – sowie aus vier weiteren, viel kleineren Teleskopen. Die astronomische Forschungsstation am VLT ist die produktivste der Welt, sie bringt täglich mehr als eine wissenschaftliche Arbeit hervor.
Im Jahr 2004 machte das Teleskop die erste Aufnahme eines extrasolaren Planeten – also eines Planeten, der einen anderen Stern als die Sonne umkreist – und war das erste Teleskop, das einzelne Sterne aufspüren konnte, die um das riesige schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße kreisen.
Eine Autostunde vom VLT entfernt, auf dem Cerro Armazones, einem 3.046 Meter hohen Berg, befindet sich das halbfertige Extremely Large Telescope (ELT), also das „extrem große Teleskop“. Wie so viele große Projekte liegt auch das ELT hinter dem Zeitplan zurück. Aber wenn es fertig ist – nach den derzeitigen Plänen im Jahr 2028, mit Kosten von 1,5 Milliarden Euro – wird es das mit Abstand größte optische Teleskop im uns bekannten Universum sein. „Ein großer Fortschritt in der beobachtenden Astronomie“, sagt Robert de Rosa, Astronom bei der ESO.
Die Spiegel werden immer größer
Optische Teleskope verwenden eine Reihe von Spiegeln, um das Licht aus dem Weltraum einzufangen und es an die verschiedenen Instrumente weiterzuleiten. Ein größerer Spiegel kann mehr Licht einfangen und daher dunklere Dinge sehen und diese auch detaillierter auflösen als ein kleinerer Spiegel. Der Hauptspiegel des ELT wird einen Durchmesser von 39,3 Metern haben. Das ist mehr als das Vierfache der großen VLT-Teleskope mit 8,2 Metern und mehr als das Dreifache des derzeitigen Rekordhalters, des Gran Telescopio Canarias (GTC) auf den Kanarischen Inseln, mit 10,4 Metern Durchmesser.
Da die Leistung eines Teleskops von der Fläche seines Spiegels abhängt, wird der Unterschied unterschätzt, wenn man nur den Durchmesser betrachtet. Das GTC hat eine Fläche von etwa 75 Quadratmetern. Das ELT wird mit 978 Quadratmetern etwas kleiner sein als vier Tennisplätze.
Diese Größe wäre für viele Bereiche der Astronomie ein Segen. Das ELT wird Aufschluss darüber geben können, welche Rolle Schwarze Löcher bei der Gestaltung der großräumigen Struktur des Universums spielen, wie dunkle Materie und dunkle Energie die Expansionsrate des Universums beeinflussen und sogar darüber, ob die vermeintlichen Konstanten der Physik über große intergalaktische Entfernungen hinweg wirklich konstant sind.
Das Teleskop dürfte auch der Erforschung von Planeten außerhalb des Sonnensystems einen großen Schub geben. Heutzutage wird die Existenz der meisten Exoplaneten daraus abgeleitet, welche Auswirkungen sie auf das Licht ihrer Muttersterne haben. Bilder von ihnen – Astronom:innen sprechen von „direct imaging“, bei dem das Licht des Planeten direkt eingefangen wird – sind selten. Wissenschaftler:innen haben nur von etwa 1 Prozent der rund 5.500 bekannten Exoplaneten Bilder.
Teleskope sind Zeitmaschinen
Der riesige Spiegel des ELT wird es den Astronomen ermöglichen, das schwache Licht eines Planeten von dem viel helleren Licht seines Sterns aus Dutzenden von Lichtjahren Entfernung zu trennen. Das Ergebnis dürfte ein wahrer „direct imaging“-Rausch sein. Diese direkte Beobachtung wird auch dazu beitragen, die chemische Zusammensetzung der Atmosphären von Exoplaneten zu ermitteln und damit festzustellen, ob es Anzeichen für ein mögliches außerirdisches Leben gibt.
Weil Teleskope auch Zeitmaschinen sind, kann das ELT den Wissenschaftler:innen einen besseren Einblick in die Ereignisse kurz nach der Entstehung des Universums geben. Lichtgeschwindigkeit ist endlich, deshalb sehen Astronom:innen weit entfernte Objekte nicht so, wie sie heute sind, sondern wie sie waren, als das Licht, das in ihren Instrumenten ankommt, zum ersten Mal aufbrach.
So wollen die Astronom:innen mit dem ELT untersuchen, wie sich Sterne und Galaxien in der Frühzeit des Universums gebildet haben. Erste Ergebnisse des James-Webb-Weltraumteleskops, das 2021 in Betrieb genommen wurde, haben bereits eine Reihe von Sternen und Galaxien aufgedeckt, die zu alt zu sein scheinen, um problemlos durch die gängigen Theorien zur Entstehung und Evolution von Galaxien erklärt zu werden. Das ELT könnte helfen, dieses Rätsel zu lösen.
Vorausgesetzt, dass beim Aufbau alles funktioniert. Als der Autor das Projekt besuchte, wurde die 80 Meter hohe Stahlkuppel, die das Teleskop umschließen wird, noch errichtet. Das Anheben und Einsetzen jedes Bauteils dauert etwa 20 Minuten; weitere sechs Stunden werden benötigt, um jede der 200 Schrauben festzuziehen. Die Arbeiten müssen vor Einbruch der Dunkelheit abgeschlossen sein, damit die Windböen kein Paneel lösen. Nach der Montage wird die gesamte 5.500 Tonnen schwere Kuppel drehbar sein, damit das Teleskop die Sterne auf ihrem Kurs über den Himmel verfolgen kann.
Einer der wenigen Nachteile der astronomischen Forschung in Chile ist, dass das Land anfällig für Erdbeben ist. Das Teleskop, das wie alle Teleskope auf einem dünnen Ölfilm schwimmt, damit es sich reibungslos bewegen lässt, wird daher zusätzlich von Hunderten von Gummistoßdämpfern getragen, die das gesamte Gebäude seismisch von dem 3 Meter hohen Betonfundament isolieren. Dadurch wird die Kuppel sowohl vor Erdbeben geschützt als auch vor Erschütterungen in den benachbarten Büros und Laboren.
Die beeindruckendsten Bauteile des Teleskops sind die Spiegel, von denen das ELT fünf haben wird. Astronomische Spiegel sind, trotz ihrer Größe, empfindlich und filigran. Selbst die vergleichsweise kleinen Spiegel der großen VLT-Teleskope sind so schwer, dass sie, wenn sie nicht richtig gestützt werden, unter ihrem eigenen Gewicht zerbrechen würden. Zur Reinigung müssen Ingenieure sie mit einem speziellen Gurt an 15 Haken anheben.
Der Hauptspiegel des ELT ist so groß, dass er nicht in einem Stück hergestellt werden kann. Stattdessen wird Schott, ein deutsches Optikunternehmen, 798 Einzelteile herstellen, die wie ein einziger Spiegel wirken. Jeder dieser Spiegel ist eine leicht gekrümmte, 1,5 Meter breite, sechseckige Scheibe aus Hightech-Glaskeramik, die sich bei Temperaturunterschieden so gut wie nicht verzieht.Die Bauteile werden in Deutschland gegossen, in Frankreich poliert und dann mit in den Niederlanden hergestellten Halterungen zusammengefügt, bevor sie nach Chile transportiert werden.
Die ersten Spiegel sind bereits an der Baustelle eingetroffen. Jedes Spiegelstück wird nach Ankunft kontrolliert, um sicherzugehen, dass es die Reise unversehrt überstanden hat. Ricardo Parra, ein ELT-Ingenieur, vergleicht den Prozess mit dem Läuten einer Glocke. Das Glas wird in Schwingung gebracht und dann mit Beschleunigungssensoren an strategischen Stellen gemessen.
Zum Schluss werden die Scheiben mit mehreren zusätzlichen chemischen Schichten überzogen, darunter eine 100-Nanometer-Silberschicht, die für die Reflektivität sorgt. Das Silber wird durch eine weitere Schicht aus hartem Siliziumnitridglas vor dem Oxidieren geschützt. Die ESO geht davon aus, dass jedes Spiegelstück alle zwei Jahre neu beschichtet werden muss.
Das Zusammenspiel der 798 Einzelteile stellt eine weitere Herausforderung dar. Um ein brauchbares Bild zu erzeugen, muss jede einzelne Scheibe mit einer Genauigkeit von wenigen zehn Nanometern in Position gehalten werden. Jeder Spiegel wird von einem System aus Sensoren und Motoren unterstützt, die die Glasoberfläche minimal verformen können, um Verzerrungen zu korrigieren, die etwa durch kleine Temperaturschwankungen oder die Veränderung der Schwerkraft durch das Kippen und Neigen des Spiegels verursacht werden.
Der Hauptspiegel ist nur die erste Station. Das auf ihn auftreffende Licht wird auf einen Sekundärspiegel und dann einen Tertiärspiegel umgelenkt, die verschiedene feine optische Fehler korrigieren sollen. Mit einem Durchmesser von etwa 4 Metern könnte jeder von ihnen allein schon ein beeindruckender Hauptspiegel eines Teleskops sein.
Der vierte Spiegel hat die Aufgabe, die Tücken der Erdatmosphäre auszugleichen. Dass die Sterne vom Boden aus betrachtet zu funkeln scheinen, liegt daran, dass die Atmosphäre ständig in Bewegung ist. Frédéric Gonté, ein Ingenieur für Instrumentenbau bei der ESO, vergleicht den Effekt mit einem Blick ins Wasser. „Wenn Sie versuchen, auf den Boden eines Schwimmbeckens zu sehen, sehen Sie, dass er sich bewegt“, sagt er. „Die Atmosphäre macht das Gleiche mit uns.“
Weltraumteleskope umgehen dieses Problem, indem sie oberhalb der Atmosphäre fliegen. Bodengestützte Teleskope können sich stattdessen auf eine Technologie namens Adaptive Optik verlassen. Dabei wird die Oberfläche eines Spiegels verformt, um die durch die Luft verursachten Verzerrungen auszugleichen.
Innovation aus dem Weltraum
In Weltraumforschung und Raumfahrt fließen immense Summen an Forschungsgeldern. Bringt das was? Astronom:innen sagen: Ja, Grundlagenforschung. Einige Errungenschaften aus Astronomie und Raumfahrt haben das Leben auf der Erde verändert – und zwar nicht nur die vielzitierte Teflonpfanne. Hier drei Beispiele.
Scharfe Sicht
Das Extremely Large Telescope (ELT) soll uns gestochen scharfe Bilder von Himmelskörpern liefern. Dazu muss man die Auswirkungen der atmosphärischen Luftunruhe korrigieren. Die sogenannte Adaptive Optik wird auch in der Augenheilkunde angewandt, insbesondere in der Laserchirurgie: Hier ist Adaptive Optik in der Lage, Fehler der menschlichen Linse zu korrigieren, die etwa Kurz- oder Weitsichtigkeit verursachen. Dabei wird das Licht gemessen, das durch das Auge tritt. Per Laser wird dann das Hornhautgewebe entsprechend angeschliffen.
Heiße Platte
Teleskope müssen mit heftigen Temperaturschwankungen klarkommen. Deshalb arbeitet die gesamte Weltraumforschung seit jeher an möglichst stabilen Materialien. In den 50er Jahren entwickelten die Unternehmen Schott aus Jena und Heraeus aus Hanau eine Glaskeramik mit hoher Durchlässigkeit für Wärmestrahlung und geringer Wärmeleitfähigkeit. Das Material war hitzebeständig und dehnte sich bei Wärme nicht aus. Dank dieser Eigenschaften wurde Ceran nicht nur für die NASA interessant. Als Kochfeld schaffte es auch den Einzug in unsere Küchen.
Drahtlose Verbindung
Die für uns und unseren Alltag wohl bahnbrechendste Erfindung der Weltraumforschung ist das WLAN. Es stammt zum Teil aus der Radioastronomie. Dem australischen Elektrotechniker John O'Sullivan gelang es, riesige Datenmengen ohne Kabel zu verschicken. Er verteilte erstmals Funksignale über verschiedene Frequenzen, die auch zuverlässig ankamen. O'Sullivans Forschung ist die Grundlage unserer heutigen Drahtlosnetzwerke. Ohne sie wäre unsere Vernetzung mit der Welt nicht so bequem und alltagstauglich. Philipp Brandstädter
Die Technologie ist keine Besonderheit des ELT. Viele moderne Teleskope verfügen darüber, auch eines der großen VLT-Teleskope. Die anderen drei werden derzeit damit ausgestattet. Aber die schiere Größe des ELT macht es anfälliger für atmosphärische Verzerrungen.
Aufschluss über die Atmosphäre
Mehr als 5.000 Aktoren hinter dem vierten Spiegel des ELT werden tausendmal pro Sekunde winzige, wellenartige Anpassungen an seiner Form vornehmen. Ohne diese Anpassungen wären die Bilder des ELT hoffnungslos unscharf.
Um genau zu bestimmen, wie der Spiegel Millisekunde für Millisekunde verformt werden muss, ist es erforderlich, dass am Himmel etwas zu sehen ist, dessen Form bekannt ist. Der Vergleich zwischen dem, was das Teleskop tatsächlich sieht, und dem, was es sehen sollte, gibt Aufschluss über den Zustand der Atmosphäre in dem jeweiligen Moment und ermöglicht es dem System, die Verformung auszugleichen.
Oft ist das entsprechende Objekt ein heller Stern in der Nähe des untersuchten Objekts. Steht jedoch kein geeigneter Stern zur Verfügung, können die Astronom:innen einen künstlichen Stern generieren. Künstliche Leitsterne werden erzeugt, indem helle orangefarbene Laserstrahlen nach oben geschossen werden, so dass sie in etwa 90 Kilometern Höhe Sterne um das zu beobachtende Bild herum bilden. Da das System genau weiß, wie der Ersatzstern aussehen soll, kann es die erforderlichen Spiegelkorrekturen vornehmen.
Man könnte meinen, dass alle anderen Teleskope überflüssig werden, sobald das ELT in Betrieb ist. Doch selbst das ELT kann nicht alles. Die Keck-Zwillingsteleskope auf Hawaii zum Beispiel, einst die größten der Welt, haben Spiegel mit einem vergleichsweise mickrigen Durchmesser von zehn Metern.
Aber sie haben den Vorteil, auf einem wesentlich höheren Berg positioniert zu sein, mit besserer Sicht als in Chile. Und die Tatsache, dass es zwei davon gibt, bedeutet, dass doppelt so viele Astronom:innen damit arbeiten können.
Dieser Text stammt aus der wochentaz. Unserer Wochenzeitung von links! In der wochentaz geht es jede Woche um die Welt, wie sie ist – und wie sie sein könnte. Eine linke Wochenzeitung mit Stimme, Haltung und dem besonderen taz-Blick auf die Welt. Jeden Samstag neu am Kiosk und natürlich im Abo.
Das VLT und andere Teleskope mit mehreren Spiegeln können außerdem eine Technik namens Interferometrie nutzen. Das ist eine clevere Methode, um Signale so zu kombinieren, dass das Auflösungsvermögen nicht von der Größe der einzelnen Spiegel abhängt, sondern von der Entfernung zwischen ihnen. Beim VLT sind es mehr als 100 Meter. Das erhöhte Auflösungsvermögen geht jedoch mit einem engeren Sichtfeld einher. Das ELT konkurriert nicht mit Teleskopen wie dem VLT, sagt der Ingenieur Gonté. „Es ist eine Ergänzung.“
Aber wenn es darum geht, die lichtschwächsten und am weitesten entfernten Objekte zu entdecken, ist die Größe des Spiegels Trumpf. In dieser Hinsicht scheint das ELT für die absehbare Zukunft das letzte Wort zu haben. Ein Konzept für das „Overwhelmingly Large Telescope“, auf Deutsch „überwältigend großes Teleskop“, hätte einen 100-Meter-Spiegel vorgesehen. Dieses Projekt wurde jedoch in den 2000er Jahren aufgrund der Komplexität und der Kosten auf Eis gelegt.
Das Giant Magellan Telescope, auf Deutsch „Riesen-Magellan-Teleskop“, wird derzeit einige hundert Kilometer südlich des ELT auf einem Grundstück der Carnegie Institution for Science, einer gemeinnützigen Organisation aus den USA, gebaut.
Es soll in den 2030er Jahren das erste Mal Licht sehen. Sieben große Spiegel werden hier zu einem einzigen gigantischen Spiegel mit einem effektiven Durchmesser von 25,4 Metern kombiniert. Trotzdem wird es nur etwa ein Drittel der Spiegelfläche des ELT haben. Ein Team von Wissenschaftler:innen aus Amerika, Kanada, Indien und Japan versucht unterdessen, ein Mega-Teleskop auf Hawaii zu bauen. Das Thirty Meter Telescope (TMT) wäre, wie der Name schon sagt, ein Riese – wenn auch immer noch kleiner als das ELT. Es ist allerdings unklar, wann oder ob es überhaupt fertiggestellt wird.
Der Bau wurde wegen Auseinandersetzungen um den Berg, auf dem es errichtet werden soll, gestoppt. Denn der Mauna Kea wird von einigen als heilig angesehen. Wer in den nächsten Jahrzehnten Zugang zum größten Teleskop haben will, das man für Geld kaufen kann, wird sich auf den Weg nach Nordchile machen müssen.
© The Economist, Übersetzung aus dem Englischen von Enno Schöningh
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