Welt der Wissenschaft: Beginn der Weltraum-astronomie Ballon-Astronomie gestern und heute Bereits im Jahr 1874 ließen sich wagemutige Forscher in einer Ballongondel auf fast 8000 Meter Höhe tragen, um astronomische Beobachtungen durchzuführen. Damit begann die Astronomie aus dem Weltraum. Heute dienen Ballonteleskope vor allem der wissenschaftlichen und technischen Vorbereitung aufwändigerer Instrumente auf Weltraumobservatorien. Von Dietrich Lemke In Kürze D er Astronomie am Boden sind Abenteuerliche Anfänge zahlreiche Grenzen gesetzt. Im Jahre 1782 ließen Joseph Michel Um den Störungen durch die Montgolfier (1740 – 1810) und sein Bruder Erdatmosphäre zu entgehen, Jacques Étienne (1745 – 1799) in ihrem lassen manche Beobachter ihre Fernrohre Heimatort Annonay Papiertüten aufstei- von Ballonen dreißig, vierzig Kilometer gen, die sie mit »brennbarer Luft« (wie der rische Turbulenzen und erschlie­ hoch in die Stratosphäre tragen, dorthin, Wasserstoff damals noch genannt wurde) ßen neue Bereiche des elektro­ wo rund 99 Prozent der irdischen Lufthülle gefüllt hatten. Diese Flüge waren nur von magnetischen Spektrums. unter ihnen liegen. In solch großen Höhen kurzer Dauer, da das Gas schnell heraus- ó Die ersten Schritte der Weltraum­ wird die optische Abbildung kaum noch diffundierte. Die beiden Tüftler suchten astronomie wurden schon früh durch Luftunruhe beeinträchtigt, so dass daher nach einem anderen Gas »leichter von Ballongondeln aus getan. scharfe Bilder mit einer Auflösung von als Luft« und erzeugten es durch Verbren- Die Entdeckung der kosmischen etwa einer zehntel Bogensekunde entste- nen von feuchtem Stroh. Rauch, so ihre Teilchenstrahlung und erste wich­ hen. Ausgedehnte Himmelsobjekte lassen Meinung, schien besondere Auftriebskraft tige Entdeckungen der Röntgen- sich kontrastreicher abbilden, da das zu verleihen, was sie durch Zugabe alter und UV-Astronomie sowie der Streulicht in der dünnen Restatmosphäre Schuhe zu steigern wussten. Die Brüder Astronomie im Infraroten und im erheblich reduziert ist. nahmen an, sie hätten mit ihrer Methode ó Von Ballonen getragene Teleskope umgehen die Beeinträchtigungen der Bildschärfe durch atmosphä­ Millimeterwellenbereich gelangen mit Ballonteleskopen. Spektralbereiche jenseits des optischen ein besonderes aerostatisches Gas herge- Lichts werden in der Stratosphäre über- stellt – tatsächlich hatten sie den Heißluft- ó Die preiswerten und wiederholt haupt erst zugänglich, so im kurzwelligen ballon erfunden. einsetzbaren Ballonteleskope Bereich das mittlere Ultraviolett und die Die weitere Entwicklung ging rasend spielen mit ihren kurzen Entwick­ hochenergetische Röntgen- und Gam- schnell. Im September 1783 starteten ein lungszeiten nach wie vor eine mastrahlung. Auch der gesamte Infrarot- Schaf, ein Hahn und eine Ente unter der wichtige Rolle als technologische bereich, also die Wärmestrahlung kühler Anteilnahme des französischen Königs Wegbereiter langwieriger und Objekte, steht nun für Messungen zur Ludwig XVI. von Versailles aus zu einem kostspieliger Weltraummissionen. Verfügung, da der absorbierende Wasser- zehnminütigen Ausflug in die Lüfte. Be- dampf fast vollständig unter der Strato- reits zwei Monate später fuhren die ersten sphäre liegt. Zudem ist auch die Eigen­ Menschen mit einer Montgolfière über emission der warmen Atmosphäre, welche Paris, die längere Fahrzeit von 25 Minuten die Empfindlichkeit der Instrumente be- wurde durch ein Strohfeuer an Bord mög- grenzen würde, stark vermindert. lich. Und noch im Dezember des gleichen 32 September 2010 Sterne und Weltraum Sammlung Audouin Dollfus / Kolorierung SuW Der Beginn der Ballonastronomie: Die französischen Aeronauten Théodore Sivel Die Astronomie mit und Joseph Crocé-Spinelli gelangten im Ballonen ist ein relativ März 1874 im offenen Korb unter einem einfacher und sehr effizienter Wegbereiter Ballon auf 7300 Meter Höhe. Mit einem Handspektrometer untersuchten sie Wasserdampflinien im Sonnenspektrum. der großen Weltraumobservatorien. Dazu haben wir didaktische Materialien erstellt, die unter www.wissenschaft-schulen.de kostenfrei abgerufen werden können. Ballons üben eine Faszination auf die Schüler aus, und dies umso mehr, wenn sie für einen klareren Blick in den Weltraum sorgen. Unser Schulprojekt führen wir in Zusammen­ arbeit mit der Landesakademie für Lehrerfortbildung in Bad Wildbad und dem Haus der Astronomie in Heidelberg durch. www.astronomie-heute.de September 2010 33 SuW-Grafik 10-8 Radio UV IR Röntgen 10-7 100 1 2 optisch Restatmosphäre 10-6 10-5 10-4 80 1 100 10-3 60 40 0,01 Weltraum dringt je nach Wellenlänge Mount Everest 1m 1mm 1 mm 1nm ein. Die beiden Kurven zeigen die Höhen an, bis zu denen die Strahlung auf die Hälfte beziehungsweise auf ein Hundertstel der extraterrestrischen Intensität geschwächt wird. Aus Ballon-Flughöhen werden das Gammabereich zugänglich. Nur im Optischen und im Radiobereich erreicht die 0 10-3 nm unterschiedlich tief in die Erdatmosphäre Infrarote (IR), der harte Röntgen- und der 20 0,1 1 Die elektromagnetische Strahlung aus dem 140 120 Gamma Höhe in Kilometern 10-9 10-6 nm Strahlung ungeschwächt den Erdboden. Wellenlänge Jahres stieg der erste bemannte Freiballon der Sonne oder in derjenigen der Erde Ein besonderer Erfolg waren die Auf- auf, der mit Wasserstoff gefüllt war. entstehen. Im offenen Korb erreichten stiege von Victor Franz Hess (1883 – 1954) In den Folgejahren begann von Paris, die Forscher eine Höhe von 7300 Metern, im Jahre 1912. Der Physiker wollte heraus- London, Hamburg und Sankt Petersburg aber das Beob­achtungsergebnis war nicht finden, was die Leitfähigkeit der Luft am aus die physikalische Erforschung der eindeutig. Ein erneuter Versuch im Fol- Erdboden verursachte. War es, wie damals oberen Atmosphäre mit Ballonen: Druck, gejahr brachte sie auf 8000 Meter Höhe. vermutet, die Radioaktivität des irdischen Temperatur und Zusammensetzung der Dieser Aufstieg endete leider tragisch, die Gesteins, die durch Ionisierung die Leitfä- Luft sowie das Magnetfeld der Erde wurden beiden mutigen Aeronauten starben an higkeit bewirkte, so sollte die Erscheinung bis in Höhen von 7000 Metern studiert. Sauerstoffmangel. mit zunehmender Höhe abnehmen. Tat- Am 22. März 1874, neunzig Jahre nach astronomische sächlich registrierte er zunächst diesen stieg Beobachtungen von Ballons aus in den Effekt, aber nach einem Minimum bei in Frankreich ein Ballon mit dem aus- folgenden Jahrzehnten fortgesetzt. So 800 Meter über dem Boden stieg die Leit- schließlichen Ziel astronomischer Beob­ stieg der russische Naturforscher Dmitri fähigkeit bis 5000 Meter Höhe wieder an. achtungen auf. An Bord befanden sich Iwanowitsch (1834 – 1907), Hess schloss daraus, es sei »die Existenz … den ersten Montgolfière-Starts, Dennoch wurden Mendelejew Théodore Sivel (1834 – 1875) und Joseph der Entdecker des Periodensystems der einer durchdringenden Strahlung außer- Crocé-Spinelli (1845 – 1875), die im Auf- Elemente, zur Beobachtung der Son- irdischer Herkunft anzunehmen«. trag der Sternwarte Meudon bei Paris mit nenfinsternis von 1887 nördlich von Ein Jahr später beob­achtete Werner Kol- einem Handspektroskop die Sonne be- Moskau bis über die Wolkendecke auf; hörster (1887 – 1946) mit empfindlicheren obachten sollten (siehe Bild auf S. 33). Es französische Astronomen beobachteten Instrumenten die gleiche Erscheinung bis galt festzustellen, ob einige dunkle Linien auf diese Weise die Sternschnuppen des zu einer Höhe von 9300 Metern; er wies im Sonnenspektrum in der Atmosphäre Leonidenstroms. später auch den Teilchencharakter der US Standard Atmosphere / SuW-Grafik 100 90 E in Ballon erfährt, ähnlich wie ein 80 leichter Schwimmkörper unter Wasser, eine Auftriebskraft F im Luft­ 0,001 0° C Thermosphäre 0,01 Mesopause 70 meer. Sie steigt mit dem Volumen V luft und leichtem Füllgas: F = V • Δr • g, wobei g die Erdbeschleunigung ist. Ein Kubikmeter Luft wiegt am Erdboden etwa 1,3 Kilogramm, die 60 50 1 40 30 Druck in Millibar Höhe in Kilometern Dichten zwischen schwerer Außen­ 0,01 0,1 0,01 und der Differenz Δr der spezifischen 0,001 Mesosphäre Stratopause 1 Stratosphäre 10 10 gleiche Menge Wasserstoff hingegen nur 0,09 Kilogramm. Ein Wasserstoff­ So ist die Erdatmo- ballon mit 1,2 Meter Durchmesser sphäre aufgebaut: kann demnach am Boden etwa ein Die rote Kurve zeigt Kilogramm Nutzlast tragen, und den Verlauf der zusätzlich hat er die Masse der Hülle Temperatur in und des Füllgases zu heben. Abhängigkeit von der Höhe. 34 September 2010 20 100 100 Tropopause 10 0 Dichte in Gramm pro Kubikzentimeter Auftrieb 1000 180 Troposphäre 200 220 240 1000 260 280 Temperatur in Kelvin Sterne und Weltraum Die Hülle von Gleichdruckballons fasst des Aufstiegs dehnt sich das Gas aus, so- mehrere hunderttausend Kubikmeter, ist dass es schließlich in etwa 33 Kilometer aber erst in der gewünschten Aufstiegs- Höhe, in der etwa 99 Prozent der Erdatmo- höhe prall gefüllt. Innen- und Außendruck sphäre überwunden sind, die gesamte Hül- sind dann gleich, da das Füllgas durch eine le ausfüllt (siehe nebenstehendes Bild). Ab Öffnung am unteren Ende entweichen diesem Augenblick strömt das überschüs- kann. sige Füllgas durch die untere Öffnung aus. Der Ballon steigt nun nicht weiter auf, Winzen Research sondern schwebt im Luftmeer. Der Druck in seinem Innern ist etwa so hoch wie der Außendruck, deshalb reicht eine dünne Folie aus – eine wichtige Voraussetzung für ein möglichst geringes Eigengewicht. kosmischen Strahlung nach. Hess erhielt Die beiden 3,4 Meter großen Ballons, die Wie hoch? Wie lange? 1936 für seine Entdeckungen mit dem jeweils an einem langen Seil eine sieben Neben der Wahl des Füllgases – Wasserstoff Ballon den Nobelpreis für Physik. Heute Kilogramm schwere Messsonde trugen, oder Helium – bestimmt das Volumen wissen wir, dass die hochenergetischen schwebten dann in 50 Kilometer Höhe über des Ballons, welche Nutzlastmasse in Teilchen aus dem Kosmos in der Folge der Venusoberfläche. In zwei Tagen legten welche Höhe getragen werden kann. Ein von heftigen Supernova-Explosionen ent- sie mehr als 10 000 Kilometer zurück und 500 000 Kubikmeter fassender Ballon zum stehen. lieferten Informationen über die stark ver- Beispiel vermag 200 Kilogramm auf 42 Ki- änderliche, lebensfeindliche Atmosphäre lometer Höhe zu bringen. Dort sind mehr unseres Nachbarplaneten. als 99,6 Prozent der Atmosphäre und der Verschiedene Ballontypen Die klassischen Heißluftballons spielen in Als Träger für astronomische Instru- größere Teil der Ozonschicht überwunden. der modernen Forschung kaum noch eine mente in die hohe Erdatmosphäre werden Damit wird der Spektralbereich des mittle- Rolle. Da die Differenz zwischen der Dich- indes nur Gleichdruckballons benutzt. Die ren Ultraviolett mit Wellenlängen zwischen te der kühlen Außenluft und der Dichte Hüllen dieses Typs bestehen aus einer nur 200 und 300 Nanometer zugänglich. Für das der erwärmten Luft im Ballon nur gering etwa 25 Mikrometer dicken Folie aus Po- Infrarote reichen Höhen von 33 Kilometern ist, müssten ihre Hüllen riesige Ausmaße lyethylen oder aus dem kältefesteren und aus, da der absorbierende Wasserdampf mit annehmen. Aber selbst dann ließen sich somit zuverlässigeren Polyolefin. der Höhe sehr viel schneller abnimmt als nur bescheidene Höhen erreichen. Je nach Gleichdruckballons haben an ihrem der Luftdruck. Dafür genügt ein 100 000 Ku- Anwendungszweck nutzt die Wissenschaft unteren Ende einen stets offenen Gasaus- bikmeter fassender Ballon, wenn das Tele- deshalb eine der drei anderen Ballonklas- lass. Vor dem Start wird die riesige Hülle skop etwa 250 Kilogramm wiegt. Mit halb sen: dehnbare Gummiballons, Überdruck- zu etwa einem Prozent des Volumens mit so schweren Nutzlasten lassen sich selbst ballons oder Gleichdruckballons. Wasserstoff oder Helium gefüllt. Während Höhen von 48 Kilometern erreichen. Zu dem Typ der dehnbaren Gummibal50 der Wetterdienst, um Messgeräte bis in 45 70 60 40 stehen aus festem Kunststoff, wie wir ihn von den Aufreißstreifen in Verpackungen kennen. Der Aufstieg solcher Ballons endet, wenn das gesamte, nicht dehnbare Volumen der reißfesten Hülle ausgefüllt und 40 20 35 oder Wochen in nahezu gleich bleibenden Höhen in der oberen Atmosphäre. Selbst auf anderen Planeten wurden 10 -10 Westwind 25 Jan. Febr. März 20 -20 ein leichter Überdruck im Inneren entstanden ist. Die Ballons schweben dann für Tage 30 -30 10 30 40 hr Ballons. Die Hüllen von Überdruckballons be- Höhe in Kilometern ner werdenden Atmosphäre überdehnten ke -Windum Frühjahrs 30 endet stets mit dem Platzen des in der dün- 50 -40 hr die Stratosphäre zu senden. Der Aufstieg Herbst-Windumke her bekannten Luftballons. Größere nutzt -10 Ostwind April Mai Juni Juli Westwind Aug. Sept. Okt. solche Überdruckballons schon eingesetzt. Die Grafik zeigt die Windverhältnisse in der Stratosphäre über Texas im Als französischer Beitrag zu den sowje- Verlaufe eines Jahres. Im Winter herrscht Westwind, im Sommer Ostwind. tischen Missionen VEGA 1 und 2 wurden Beim Richtungswechsel im Frühjahr und Herbst sind die Windgeschwindig- 1985 zwei aus Teflonfolie gefertigte Ballons keiten gering. Mit der Höhe steigt die Windgeschwindigkeit (angegeben in über der Nachtseite der Venus ausgesetzt. Meter pro Sekunde) an. www.astronomie-heute.de Nov. Dez. September 2010 35 NCAR / SuW-Grafik lons gehören die vom Kindergeburtstag Audouin Dollfus stieg 1959 in einer Druckkapsel, an deren Außenseite ein Teleskop angebracht war, auf eine Beobachtungshöhe von 13 500 Metern. Getragen wurde die Gondel von 104 dehn­baren Gummiballons an einem 450 Meter langen Seil (rechts). Während des Einsatzes driften Ballonteleskope, durch stratosphärische Winde angetrieben, längs der Breitengrade der Erde. Da sie einerseits möglichst lange ihre gewünschte Höhe beibehalten und andererseits noch über dem Festland geborgen werden sollen, ist eine sorgfältige Planung von Startort und -zeit erforderlich. Die Windverhältnisse in der Stratosphäre wechseln zweimal im Jahr (siehe die Grafik auf S. 35). Auf der Nordhalbkugel herrschen im Sommer Ostwinde Audouin Dollfus und im Winter Westwinde. Die Ursache ist anschaulich zu verstehen: Wenn zu Beginn des Sommers die Luftmassen über den nördlichen polaren Gebieten durch die Sonne erwärmt werden, dehnen sie sich aus und strömen nach Süden. Dabei Drift hinter dem Horizont verschwindet vor allem des »Stratoscope« von Martin bleiben sie zunehmend hinter der Erdro- und keine Funkverbindung zum Startort Schwarzschild in den USA zum Studium tation zurück; der Wind weht dann aus der mehr besteht. Wenn man auf eine Echt- der Planetenatmosphären und der Son- Richtung, in die sich die Erde dreht, also zeitverbindung für Signalempfang und nengranulation, erfolgten unbemannt. aus Osten. Die Windgeschwindigkeit in Telekommandos angewiesen ist, muss Bevor ab den 1980er Jahren zunehmend 40 Kilometer Höhe kann mehr als 100 Ki- dann eine weitere Bodenstation längs der Weltraumteleskope für extraterrestrische lometer pro Stunde betragen. Nach einer vorausberechneten Driftstrecke bereit- Beobachtungen Beobachtungsnacht hat sich der Ballon stehen. Andernfalls werden alle Daten an waren Ballonteleskope für alle Spektral- dann mehr als 1000 Kilometer weit vom Bord gespeichert oder neuerdings über bereiche weit verbreitet. So betrieben in Startplatz entfernt. eine Satellitenverbindung übertragen. Deutschland Deshalb liegt ein günstiger Startplatz das eingesetzt wurden, Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik in Freiburg das »Spek- mitten auf einem großen Kontinent, er Ballonteleskope kann dann ganzjährig genutzt werden. Flüge mit Ballonteleskopen erfolgen heute Universität Kiel ballongetragene Instru- Vom Startplatz Palestine im US-Bundes- stets unbemannt. Der Franzose Audouin mente zur Untersuchung der kosmischen staat Texas aus können Ballons mehr als Dollfus war der letzte Astronom, der sich Strahlung, das Max-Planck-Institut für 1000 Kilometer weit nach Osten oder Wes- selbst in die Höhe tragen ließ. Im Jahre extraterrestrische Physik in Garching ten driften, bevor sie den Atlantischen oder 1959 stieg er in einer Druckkapsel, auf und das Astronomische Institut der Uni- Pazifischen Ozean erreichen. Im kleineren deren Oberseite außen ein 50-Zentimeter- versität Tübingen Röntgenteleskope, das Frankreich wird im Sommerhalbjahr von Teleskop montiert war, in eine Höhe von Max-Planck-Institut für Astronomie in Gap in den Alpen aus gestartet, im Win- 13 500 Metern. Er hielt es für sicherer, nicht Heidelberg ein Infrarot- und Ultraviolett- terhalbjahr von Air-sur-l’Adour nahe der nur einen, sondern 104 dehnbare Ballons Teleskop. An großen Startplätzen wie Atlantikküste. zu benutzen (siehe Bilder oben). Durch ge- dem des National Center for Atmospheric Besonders begehrt sind Starts zur Zeit zieltes Platzenlassen einzelner Ballons und Research in Palestine, Texas, herrschte des Richtungswechsels der stratosphä- Ballastabwürfe konnte Dollfus die Höhe Andrang von Wissenschaftlern aus vielen rischen Winde. Im Mai oder September stabilisieren und später einen sanften Ab- Ländern. In der Nähe der Windwechsel- werden damit Flugdauern von 50 Stunden stieg einleiten. Ziel seiner Beobachtungen Zeiten im Frühjahr und Herbst wurde fast möglich, ohne dass der Ballon sich nen- war die Bestimmung des Wasserdampfge- täglich ein Teleskop gestartet. Die längsten nenswert vom Startort entfernt. Zu den halts in den Atmosphären von Mars und Flugzeiten erhielten oft die Gamma-Astro- übrigen Jahreszeiten mit höheren Wind- Venus, was auch gelang. Es zeigte sich aber, nomen, da der Photonenfluss von ihren geschwindigkeiten muss auch bedacht dass der Mann an Bord die Stabilisierung Quellen sehr gering und die erforderliche werden, dass der Ballon trotz einer Höhe des Teleskops störte und er sich unnötigen Beobachtungszeit entsprechend lang ist. von mehr als 30 Kilometern wegen der Gefahren aussetzte. Bereits die Aufsehen Die meisten Ballonteleskope waren Erdkrümmung nach etwa 350 Kilometern erregenden Flüge in den 1960er Jahren, Eigenbauten aus den Instituten, deren 36 September 2010 trostratoskop« zur Sonnenforschung, die Sterne und Weltraum Naturwissenschaftliches Wissen aus erster Hand für Schulen und Schüler AUS DER FORSCHUNG IN DEN UNTERRICHT Das Projekt Wissenschaft in die Schulen! – eine Investition in die Zukunft Naturwissenschaften und Technik sind für Oberstufenschüler eine spannende Sache und für den Wirtschaftsstandort Deutschland von fundamentaler Bedeutung. Daher möchten wir gemeinsam mit Ihnen das Interesse der Jugendlichen an diesem Themenbereich wecken und fördern. Wir – das sind der Verlag Spektrum der Wissenschaft, die Gesellschaft für Biochemie und Molekularbiologie, das Max-Planck-Institut für Astronomie und die Landesakademie für Fortbildung und Personalentwicklung an Schulen in Bad Wildbad und das Haus der Astronomie in Heidelberg. Bisher haben sich schon über 7500 Schüler für WIS angemeldet. Wenn Sie wissen möchten, wie Sie eine Klasse und das Projekt unterstützen können und was es mit WIS auf sich hat, dann finden Sie hier die Informationen: www.wissenschaft-schulen.de MEHR ALS TAUSEND SCHÜLER SIND SCHON DABEI. TAUSEND DANK AN UNSERE SPONSOREN! Siemens | LS medcap GmbH | Märkischer Arbeitgeberverband | Symbio Herborn Group | Steinwald Edv | Großdrebnitzer Agrarbetriebe Freundeskreis des evang. Heidehofgymnasiums Stuttgart | Förderverein »Freunde des Helmholtzgymnasiums« Zweibrücken | NDT Systems & Services AG | Weinmann GmbH | Stadtwerke Düsseldorf | Karl-Möller-Stiftung | AREVA Energietechnik GmbH | Förderverein des Eichenfeldgymnasiums | Kernkraftwerk Isar, Essenbach | Dr. Arnold-Hueck-Stiftung | Josef Stadler GmbH | Moc Danner GmbH | Weserwind GmbH www.astronomie-heute.de w w w . w i s s e n s c h a f t - sSeptember c h u l e2010 n . d e37 Dietrich Lemke Die Heidelberger Ballongondel THISBE wurde am Max-Planck-Institut für Astronomie in Zusammenarbeit mit der Firma Dornier in Friedrichshafen entwickelt. Mit einem Trockeneis-gekühlten Infrarotteleskop ausgerüstet, Wilfried Hofmann wurde sie in den 1970er Jahren mehrmals in Palestine, Texas, gestartet (links). Die Messungen führten zu einer ersten Karte des Zentralbereichs der Milchstraße bei einer Wellenlänge von 2,4 Mikrometern. Wo die Reise endet, bestimmt der Wind. Auch in den sumpfigen Urwäldern Lousianas musste THISBE nach der Landung geborgen werden (oben). Mitarbeiter den Beobachtungsflug durch- mit der Ballonhülle, die – noch als Schlauch wenn der Fallschirm versagt oder Anwoh- führten und auswerteten. Nach glücklicher zusammengelegt – ebenfalls fast hundert ner die landende Gondel mit Schusswaf- Bergung konnten die Geräte verbessert Meter lang ist. Dann wird der oberste Teil fen durchlöchern, um das Aussteigen der und oft noch während der gleichen Start- der Hülle über Plastikschläuche mit Heli- vermuteten außerirdischen Invasoren zu kampagne erneut eingesetzt werden. um (in den USA) oder Wasserstoff (in Euro­ verhindern. Ein solches Projekt ließ sich innerhalb pa) gefüllt. Vielfältige Entdeckungen von zwei bis drei Jahren im Rahmen einer Zum Start wird diese gefüllte Blase Doktorarbeit durchführen, eine kurze Zeit schlagartig freigegeben und steigt über die Vor allem in den 1970er und in den frühen verglichen mit den heute üblichen 15 bis 20 Gondel auf. Der Kranwagen kann durch 1980er Jahren erbrachten Ballonteleskope Jahren für die Vorbereitung und Auswer- kurze schnelle Fahrt noch Veränderungen viele neue astronomische Erkenntnisse. tung einer Satellitenmission. Allerdings in der Richtung des Bodenwindes ausglei- Zum Beispiel wurde die Zusammenset- liefern die modernen Weltrauminstru- chen und gibt dann, sobald das Gespann zung der kosmischen Strahlung gründlich mente das Mehrhundertfache an Daten, gestrafft ist, die Gondel frei. In drei bis vier erforscht: Sie besteht aus Atomkernen aber sie kosten auch das Tausendfache. Ein Stunden erreicht das Ballonteleskop seine fast aller Elemente des Periodensystems großer Teil dieser Mehrkosten wird durch Diensthöhe von 30 oder 40 Kilometern. In sowie aus Elektronen und Positronen. den Aufwand für Zuverlässigkeit und Qua- Frankreich wird statt des Kranwagens ein Obwohl ihr Ursprung weit außerhalb des litätssicherung Satellitenteleskope Hilfsballon zum Start benutzt (siehe Bild Sonnensystems liegt, zeigt die Häufigkeit verursacht, die dann aber auch mit mehr rechts oben). Damit werden Starts selbst der Kerne große Ähnlichkeit mit der Ele- bei stärkerem Bodenwind möglich. menthäufigkeit im Sonnensystem. Einige als der 90-prozentiger Wahrscheinlichkeit einwandfrei arbeiten – anders die Ballon- Nach Ende der Beobachtung wird der Abweichungen bei den leichten Kernen Li- instrumente, die schätzungsweise nur zu Ballon per Funkbefehl vom übrigen Ge- thium, Beryllium und Bor konnten durch etwa 50 Prozent erfolgreich flogen, aber spann getrennt, das zunächst im freien das Zertrümmern schwerer Kerne beim eben auch leicht nach Instandsetzung und Fall auf etwa zehn Kilometer Höhe herab- Durchflug durch das interstellare Gas mit Verbesserung erneut eingesetzt werden stürzt. Wenn mit zunehmender Dichte der einer berechenbaren »Dicke« von sieben konnten. Atmosphäre genügend Staudruck aufge- Gramm pro Quadratzentimeter erklärt baut ist, öffnet sich der Fallschirm. Mit werden. Einige Kerne sind radioaktive einer Geschwindigkeit von etwa 5 Metern Isotope, sie dienen damit als »Uhr« für Zum Start wird die Ballongondel mit Te- pro Sekunde landet dann die Gondel am die Geschichte der kosmischen Strahlung leskop an einem Kranwagen einige Meter Erdboden. Stoßdämpfer und Schwimm- innerhalb der Galaxis. So fehlt das radio- hoch über dem Boden aufgehängt (siehe körper begrenzen die Beschleunigung aktive Beryllium-10 fast vollständig – folg- Bild oben links). Das übrige Gespann wird beim Aufschlag auf etwa 5 g, also das Fünf- lich ist die kosmische Strahlung mehr als auf dem Boden ausgelegt: Die Gondel ist fache der Erdbeschleunigung. Schwierig zunächst über ein Entkopplungsglied mit sind Landungen und Bergungen in den un- 10 Millionen Jahre alt. Ballongetragene einem Fallschirm verbunden, dieser wie- wegsamen Urwäldern in den Südstaaten beobachteten die aus der Richtung des ga­ derum durch ein hundert Meter langes Seil der USA. Auch Verluste sind zu beklagen, lak­ti­schen Zentrums kommende Elektron- Vom Start bis zur Landung 38 September 2010 Gammateleskope Sterne und Weltraum Hilfsballon Dietrich Lemke Nutzlast Positron-Vernichtungsstrahlung mit ihrer diese Materie dann auf die Polkappen des charakteristischen bei Neutronensterns. Dort erzeugt sie einen 0,51 Megaelektronvolt (MeV). Weiterhin 200 Millionen Grad heißen Brennfleck, wurde die Veränderlichkeit extragalak- der intensive Röntgenstrahlung aussen- tischer Quellen bei dieser hochenerge- det. Mit dem Röntgen-Ballonteleskop der tischen Strahlung entdeckt. Und es wurde Universität Tübingen und des Max-Planck- ein damals unerklärlicher Überschuss in Instituts für extraterrestrische Physik in Emissionslinie der diffusen galaktischen Gammahinter­ Garching wurde 1976 in diesem pulsie- grundstrahlung im Bereich von 1 bis renden Röntgenlicht eine Zyklotronlinie 10 MeV gefunden. entdeckt. Sie entsteht, weil Elektronen Mit Röntgenteleskopen, die während in starken Magnetfeldern nur diskrete der Mondbedeckungen des Krebsnebels Energieniveaus einnehmen können. Das im Jahre 1974 geflogen wurden, ließ sich wird durch eine Emissions-Absorptions- die Struktur des Nebels im harten Röntgen- Struktur im Spektrum angezeigt (siehe licht bestimmen. Daraus folgten bessere Grafik auf S. 40 oben). Aus deren Lage im Modelle für die Energieübertragung vom Energiespektrum lässt sich auf eine Ma- zentralen Pulsar in die nichtthermische gnetfeldstärke von 100 Millionen Tesla Röntgenstrahlung des Nebels. schließen. Die Röntgenquelle Hercules X-1 sen- Mit Röntgenteleskopen auf Ballons det Röntgenpulse mit einer Periode von wurden weiterhin die leuchtkräftigsten 1,24 Sekunden aus: Diese Strahlung ent- Quasare und ein neuer Hochtemperatur- steht in einem Doppelsternsystem, das Anteil (etwa 35 Millionen Grad) in der aus einem veränderlichen Blauen Riesen Strahlung von Sonnenflares entdeckt. und einem Neutronenstern besteht. Von Im nahen Infraroten konnten ballon- Ein Hilfsballon hebt bei Starts in Frankreich der aufgeblähten Hülle des Riesensterns getragene Teleskope erstmals die groß- die Nutzlast an. Er wird abgeschnitten, fließt Materie in eine Akkretionsscheibe räumige Verteilung der häufigen kühlen sobald das Gespann durch den schnelleren um den kompakten Begleiter. Durch des- Sterne im Bereich um das galaktische Zen- Aufstieg des Hauptballons gestrafft ist. sen starkes Magnetfeld geleitet, stürzt trum und die galaktische Ebene kartieren Wie ein Ballonteleskop stabilisiert wird E in Teleskop, per Seil mit einem Ballon verbunden, der durch die Kraft des Windes getrieben wird: Wie lassen sich damit astronomische Beobachtungen durchführen? Für einige Anwendungen – wie zum Beispiel beim Einsatz von Gammateleskopen, 90 m deren Auflösungsvermögen gering ist, und für Beobachtungen ausgedehnter Quellen im Infraroten – genügt es, das Teleskop mit Bogenminuten-Genauigkeit auszurichten. Ballon Angeregt durch Windscherung führt die an einem langen Seil unterhalb des Ballons hängende Gondel mit dem Teleskop langsame Pendelbewegungen aus. Deren Amplitu­ de beträgt typischerweise etwa neun Bogenminuten, das heißt, in zwei von drei Achsen ist das Teleskop ohne Aufwand bereits mit dieser Genauigkeit stabilisiert. Die Schwin­ gungsdauer hängt nur von der Seillänge ab; bei 100 Meter Länge zum Beispiel beträgt sie etwa 18 Sekunden. Solch langsame Störungen lassen sich leicht herausregeln. Abschneider Nylonseil Die Drehbewegung um die dritte Achse, die Vertikale, lässt sich über ein Magneto­ meter kontrollieren, das nach Art eines Kompasses die Azimutrichtung bestimmt. Zur Ausrichtung dreht ein zwischen Aufhängeseil und Gondel angeordneter Motor eine 100 m Fallschirm Hantel in die zur gewünschten Gondeldrehung entgegengesetzte Richtung. Damit lässt sich das Teleskop auf ± 30 Bogenminuten im Azimut stabilisieren. Radarreflektor Für höhere Ansprüche benutzt man ein zusätzliches Kreiselsystem. Beim Heidelber­ ger Ballonteleskop THISBE wurde mit einem Kreisel, der ursprünglich für die Stabilisie­ Entkopplungsglied rung einer Panzerkanone bei der Geländefahrt entwickelt worden war, in allen Achsen eine Genauigkeit von etwa drei Bogenminuten erreicht. Aufbauend auf einer solchen preiswerten Grobstabilisierung lässt sich mit zusätzlichen Stern- und Sonnensensoren, die kleine Kippspiegel im optischen Strahlengang bewegen, eine Genauigkeit unterhalb Ballast Ein typisches Gespann aus Gondel und Ballon ist rund 200 Meter lang. www.astronomie-heute.de Antennen Dietrich Lemke Teleskop von einer Bogensekunde erreichen. September 2010 39 Instituts für extraterrestrische Physik in Garching wurde 1976 die im starken Magnetfeld des Röntgendoppelsterns Herkules X-1 entstehende quantisierte Zyklotronstrahlung entdeckt, die sich durch die beobachtete Emissions-AbsorptionsStruktur im Spektrum verrät. Einer der THISBE-Flüge erbrachte die Daten für diese Karte des Zentralbereichs der Milchstraße bei einer Wellenlänge von 2,4 Mikrometern (als Konturlinien einem optischen Bild überlagert). Die Infrarotstrahlung stammt von Milliarden kühlen Sternen, deren sichtbares Licht von interstellaren Staubwolken absorbiert wird. (siehe Bild unten). Dies ist im Optischen Orbiting Solar Observatory August 1975 wegen der Absorption durch dichte interstellare Staubwolken in diesen Gebieten 10-2 nicht möglich. Im fernen Infraroten wurde die großräumige Verteilung dieses kalten Staubes 10-3 Universität Tübingen und MPE Mai 1976 in der Milchstraße anhand seiner Wärmestrahlung bestimmt. Dazu gehörte das Auffinden der unerwartet großen FerninJoachim Trümper / MPE / SuW-Grafik Photonen pro Quadratzentimeter, Sekunde und Kiloelektronvolt Mit dem Röntgen-Ballonteleskop der Universität Tübingen und des Max-Planck- 10-4 10-5 10-6 1 10 100 1000 Photonenenergie in Kiloelektronvolt frarot-Flüsse von eingebetteten Wolken aus ionisiertem Wasserstoff und Staub, so genannten HII-Regionen, die durch gerade entstandene heiße Sterne gespeist werden. Als unerwartet groß zeigten sich die Helligkeit des galaktischen Zentrums und die Gesamtleuchtkraft der Milchstraße im fernen Infraroten. Bei noch längeren Wellen ließ sich von Ballons aus das Spektrum der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und ihre gleichförmige Verteilung über die gesamte Himmelskugel bestimmen. Auch eine erste Anisotropie, die durch die Bewegung der Erde relativ zu diesem kosmischen Hintergrund entsteht, wurde von Ballons aus gemessen. 10° 0° Wilfried Hofmann et al., Astronomy & Astrophysics Vom Ballon zum Satelliten 350° Es gewinnt, wer alle 16 Felder besucht hat und dann mindestens 5 Produkte auswendig nennen kann. Angebote gelten bis 30. 09. 2010, bzw. solange der Vorrat reicht START galaktischer Äquator ASTROZOOM ADAPTERSET 64 € ENTWICKLUNG VON G. MOOTZ Ballonexperimente lieferten nicht nur eine reiche Ausbeute an wissenschaftlichen Daten, sie waren auch Schrittmacher bei der Entwicklung astronomischer Instrumente für die mit Satelliten neu zugänglich gewordenen Spektralbereiche. Die komplizierten Teleskope der Hochenergieastronomie, bestehend aus Szintillationszählern, Zählrohren und Funkenkammern, konnten am Erdboden gar nicht erprobt werden, da die Röntgen- MGEN-ADAPTER 25 € ENTWICKLUNG VON I. EDER 8×50 Sucher als Leitrohr, dank MGEN Subpixel-Interpolation (ab FirmWare 1.22) VIXEN-LOSMANDY KLEMME 119 € 18 CM LANG 149 € für Planetary, Lacerta UWAN u.a. 29 CM LANG I D ETEA NGAU UN S DD N ER A CSHZTE N E IDEEN AUS DER SZENE MADE IN EU EINFACH SCHARF! EINFACH SCHARF! EINFACH SCHARF! WWW.TELESKOP– WWW.TELESKOP– BAHTINOV MASKE N LI 1. 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Durch über mehrjährige Ballonflugkampagnen der Instrumente für das Infrared Space diesen Effekt erhöht sich die Energie der war die Grundlage für die erfolgreichen Observatory (ISO) wieder zusammen. Die Photonen der kosmischen Mikrowellen- Satelliteninstrumente der 1980er Jahre. Ballonexperimente hatten allen beteili- Hintergrundstrahlung nach dem Durch- im Galaxienhaufen So führten die Ballonexperimente des gten Wissenschaftlern und Ingenieuren gang durch das heiße Plasma der Galaxi- MPI für extraterrestrische Physik in Gar- zusätzlich wertvolle Erfahrungen im Ma- enhaufen: Schnelle Elektronen im Plasma ching zum Röntgenspektrometer HEXE nagement von Weltraumexperimenten, können Energie auf die durchlaufenden auf der Raumstation MIR und später zum Startkampagnen, Datenverarbeitung und Photonen übertragen – dadurch wird die Röntgensatelliten ROSAT. Die Ballon­astro­ der Beob­achtungsplanung für »unzu- langwellige Seite des Spektrums der Hin- no­mie im Gammabereich bahnte den gängliche« Teleskope gebracht. tergrundstrahlung geschwächt, und der Weg für das 17 Tonnen schwere Compton Galaxienhaufen lässt sich als quasi als Gamma Ray Observatory, das 1991 in den Die jüngsten Ballonteleskope Weltraum gebracht wurde. Ähnliche Entwicklungen gab es in Weniger zahlreich als vor 35 Jahren, werden aufspüren. Die Experimentatoren setzen auch heute noch größere Ballonteleskope ihre Messungen jetzt mit dem europä- allen anderen Spektralbereichen. Zum für die astronomische Forschung gebaut. ischen Weltraumteleskop Planck fort. Beispiel fanden sich Infrarotastronomen So konnte 1998 mit dem französischen Ebenfalls einen Zwei-Meter-Hauptspie- aus England, Holland, Frankreich und Zwei-Meter-Ballonteleskop PRONAOS im gel hat das Balloon-borne Large Aperture Deutschland, die sich fast alle von den fernen Infraroten erstmals der Sunjajew- Submillimeter Telescope (BLAST) eines Schatten auf der Hintergrundstrahlung Anzeige GRATIS beim Kauf einen SkyWatcher Teleskop über 300 € PLANISPHÄRE MIT MONDPHASEN K.I. 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Da entlang der Route die Sonne nicht unterging, konnte es ihre Oberfläche ununterbrochen beobachten. Sunrise lieferte hochaufgelöste Bilder und Spektren der Sonnenoberfläche (rechts): Die beiden linken Teilbilder zeigen die Sonnengranulation im UV und im Sichtbaren. Es MPS / IMAX-Konsortium folgt ein Bild der Chromosphäre im Licht der Kalzium-H-Linie bei 397 Nanometer. Im rechten Teilbild, das die Zirkularpolarisation im Sichtbaren zeigt, sind kleine Magnetfeld1000 km konzentrationen zu erkennen. amerikanisch-kanadisch-britischen Wis- Besonderes Interesse fanden die Er- nachgewiesen. Diese Ergebnisse wurden senschaftler-Konsortiums. Bei Einsätzen gebnisse des Ballonteleskops Boomerang. später vom Satelliten WMAP der NASA be- in Schweden und über der Antarktis im Es wurde in den Jahren 1998 und 2003 in stätigt, verfeinert und ergänzt. Jahr 2006 wurden unter anderem Stern- der Antarktis geflogen. Dort umkreiste es Die Beobachtungen mit Boomerang entstehungsgebiete kartiert und die Mas- wegen der gleichbleibenden stratosphä- führten Wissenschaftler aus den USA, Ita- senverteilung kalter Knoten (mit Tempera- rischen Winde im Polarwirbel den Südpol lien, Kanada und Großbritannien durch. turen unterhalb von 14 Kelvin) bestimmt, innerhalb von etwa zehn Tagen in einer Mehrere von ihnen setzen heute diese For- in denen zwei Prozent des kalten Molekül- Höhe von mehr als 35 Kilometern, und ge- schung mit dem Satelliten Planck fort, der gases gebunden sind. Aus diesen Knoten langte – wie ein Bumerang – wieder in die höhere Auflösung und Empfindlichkeit be- entstehen mit hoher Wahrscheinlichkeit Nähe des Startortes. Auf dem ersten Flug sitzt und zusätzlich auch die Polarisation neue Sterne. wurden die kleinen Fluktuationen der kos- der Hintergrundstrahlung misst, aus der For- mischen Hintergrundstrahlung entdeckt, sie sich Hinweise auf Gravitationswellen schungsprogramm wurde mit BLAST die In einem extragalaktischen aus denen sich die großen Strukturen im vom Urknall erhoffen. kosmische im Universum, etwa die Galaxienhaufen, ent- Auch für die Sonnenphysik haben sich fernen Infraroten gemessen. Sie fasst das wickelten (siehe Bild S. 41). Die Auflösung Ballonteleskope verdient gemacht. Von Licht aller fernen Galaxien zusammen des 1,2-Meter-Teleskops war mehr als 30- der Stratosphäre aus können sie scharfe, und somit die Geschichte der Energieer- mal so hoch wie die des berühmten COBE- beugungsbegrenzte Bilder der Sonnen- zeugung in der kosmischen Vergangen- Satelliten der NASA aus dem Jahr 1991. oberfläche liefern. Das ballongetragene Hintergrundstrahlung heit. Einige Wissenschaftler dieses Ballon- Aus den Boomerang-Daten ließen sich Teleskop Sunrise ist das größte Sonnente- Konsortiums haben zur Instrumentierung erstmals die kosmologischen Parameter leskop, das jemals den Erdboden verlassen des Weltraumobservatoriums Herschel genau bestimmen. Aus diesen wurde hat. Mit seinem Ein-Meter-Spiegel kann beigetragen und können jetzt mit höherer auf die Existenz der Dunklen Energie ge- es auf der Sonne noch etwa 35 Kilometer Auflösung und Empfindlichkeit ihre For- schlossen, und mit ihnen wurde die flache, große Strukturen räumlich auflösen. Ziel schung aus dem Weltraum fortsetzen. euklidische Geometrie des Universums solcher Beobachtungen ist die Messung 42 September 2010 Sterne und Weltraum der solaren Magnetfelder, welche die Ak- Ballon- und Raketenforschung für Studenten tivität der Sonne verursachen. Der jüngste Flug wurde im Juni 2009 in Kiruna in Nordschweden gestartet und führte über den In einem deutsch-schwedischen Forschungsprogramm können Studenten kleine Nordatlantik und Grönland nach Kanada, Experimente mit Ballons (Bexus) oder Höhenforschungsraketen (Rexus) durchführen. wo das Teleskop unbeschädigt geborgen Die Starts erfolgen am Raketenstartplatz Esrange in der Nähe von Kiruna, Schweden wurde (siehe die oberen Bilder links). Aus (siehe Bild). In diesem Jahr beispielsweise fliegen Gruppen der Universitäten Aachen 37 Kilometer Höhe konnte die Entwick- und Kiel Ballonexperimente zur Untersuchung der kosmischen Strahlung. Die Förde­ lung der Sonnengranulation 5½ Tage lang rung der deutschen Nachwuchswissenschaftler übernimmt das Deutsche Zentrum ununterbrochen beobachtet werden, da für Luft- und Raumfahrt in Bonn. Mehr dazu unter: www.rexusbexus.net entlang der Driftroute Mitternachtssonne herrschte. Die große Flughöhe erlaubte es auch, die Beobachtungen auf das mittlere Ultraviolett bei einer Wellenlänge von 215 Nanometern auszudehnen. Technisch eindrucksvoll ist neben der Größe auch das Gewicht von Sunrise: Die Gondel wiegt mit Teleskop 2600 Kilogramm, der Ballon 2000, der Fallschirm 600 Kilogramm – insgesamt stiegen sechs Tonnen Masse in die Stratosphäre. Ein weiterer Einsatz von Sunrise würde vorzugsweise vollständig um den Pol herum Russlands zu erhalten wäre. Das Projekt DLR führen, wenn dafür eine Genehmigung wird vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau DIETRICH LEMKE war bis geleitet und vom Kiepenheuer-Institut für Ballonexperimente der letzten Jahr- Sonnenphysik in Freiburg und führenden zehnte verfolgten stets zwei Ziele – einer- zu seiner Emeritierung am Sonnenforschern aus Spanien und den USA seits wissenschaftliche Messungen, die Max-Planck-Institut für As­ unterstützt. Ein technologisches Ziel von vom Erdboden aus nicht, und aus dem tronomie in Heidelberg für Sunrise ist die Vorbereitung ähnlicher Ex- Weltraum noch nicht möglich waren. die Weltraumprojekte des perimente auf dem europäischen Satelliten Dabei gelangen viele Entdeckungen. Aber Instituts verantwortlich. Solar Orbiter, der um 2017 starten soll. sie dienten immer auch der schrittweisen Sein eigener Einstieg in die Weltraumastro­ instrumentellen Entwicklung von Gerä- nomie verlief über Entwicklung und Bau des ten und Teleskopen, die dann auf den viel Ballonteleskops THISBE und dessen Einsatz für teureren Satelliten zum Einsatz kommen Beobachtungsprogramme im Ultravioletten Nachdem die großen Weltrauminter- sollten. Dabei erwarben die Beteiligten und im nahen Infraroten. ferometer der ESA (DARWIN) und der wertvolles Wissen, das die wissenschaft- NASA (Terrestrial Planet Finder) wegen liche und technische Durchführung der technischer und finanzieller Bedenken auf Jahre hinaus aufgeschoben worden Satellitenprojekte förderte. Ballonexperimente lassen sich ver- sind, planen Astrophysiker in Frankreich gleichsweise und den USA jetzt Vorversuche mit Bal- durchführen, sind kostengünstig und kön- lonteleskopen. Dazu soll das Licht von nen nach den im Allgemeinen problem- zwei Teleskopen an den Enden eines zehn losen Bergungen verbessert und erneut Meter langen Kohlefaserbalkens zur Inter- geflogen werden. Für Studenten bietet jetzt ferenz gebracht werden. So ließe sich un- ein deutsch-schwedisches Programm die ter weltraumähnlichen Bedingungen in Möglichkeit, innerhalb eines Jahres kleinere 40 Kilometer Höhe die Machbarkeit eines Ballonexperimente durchzuführen (siehe extrem komplizierten Geräts nachweisen. Infokasten oben). Allerdings gibt es keine Auch wissenschaftlich könnte dieses Bal- Organisation, die größere Ballonexperi- loninterferometer Neues entdecken: die mente ähnlich umfassend unterstützt, wie Zodiakallichtwolken um sonnenähnliche beispielsweise ESA und NASA die Weltraum- Sterne und die chemische Zusammenset- Experimente, oder ESO die erdgebundene zung von protostellaren Scheiben. Ein Er- Astronomie. Dennoch wird dieser älteste folg dieser Ballonexperimente würde der und einfachste Fahrstuhl an den Rand des Wiederaufnahme der Weltrauminterfero- Weltraums auch in der Astronomie der Zu- meter-Projekte großen Schub verleihen. kunft seine Nische behaupten. Fahrstuhl an den Rand des Weltraums www.astronomie-heute.de schnell vorbereiten und Literaturhinweise Lemke, D.: Die astronomische Ballon­ sonde THISBE. In: Sterne und Weltraum 2/1970, S. 29 – 32. Röhrs, H.: Flüge mit Stratosphärenbal­ lonen zu wissenschaftlichen Unter­ suchungen. In: Sterne und Weltraum 2/1970, S. 33 – 36. Wittmann, A.: Die Erforschung der Sonne mit Ballonteleskopen. In: Sterne und Weltraum 1/1978, S. 8 – 13. Staubert, R., Trümper, J.: Ballon-Rönt­ genmessungen an Neutronensternen und Quasaren. In: Sterne und Weltraum 7–8/1982, S. 286 – 290. Weblinks zum Thema: www.astronomie-heute.de/ artikel/1040370 September 2010 43