1 Kurt-Huber-Gymnasium Schuljahr 2012/13 Adalbert-Stifter
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Kurt-Huber-Gymnasium Adalbert-Stifter-Platz 2 82166 Gräfelfing Schuljahr 2012/13 Seminararbeit im W-Seminar „Raumfahrt“ Großteleskope von Leo Schick Betreuende Lehrkraft: StR Tobias Schüttler Abgabetermin: 6. November 2012 Punktzahl für die abgelieferte Arbeit (3x): …………………. Punktzahl für die Präsentation mit Prüfungsgespräch (1x): …………………. Gesamtleistung in der Seminararbeit (Arbeit x 3 + Präsentation): .......................... ………………….…………………………..….... (Unterschrift des Kursleiters) 1 Großteleskope Das Tor zum Universum Eine Arbeit von Leo Schick 2 Inhaltsverzeichnis 1. Vorstellung des Teleskops.......................................................................Seite 04 2.DieEntstehungsgeschichtedesTeleskops....................................................Seite 04 2.1HansLipperheyoderZachariasJanssen...................................................................... 2.2DieerstenEntdeckungenmitdemRefraktor............................................................. 2.3DieerstenGroßteleskope.................................................................................................... 3.DieFunktionsweisedesTeleskops....................................................................Seite07 4.TechnikmodernerTeleskopeanhanddesVLT............................................Seite10 4.1DasVLT........................................................................................................................................ 4.2AzimutaleMontierung.......................................................................................................... 4.3Aktive–undadaptiveOptik............................................................................................... 4.4Interferometrie......................................................................................................................... 4.5Radioteleskope......................................................................................................................... 5.DasHubbleteleskop..................................................................................................Seite15 5.1VonderIdeezumStartderDiscovery........................................................................... 5.2DieServicemissionenderNASA....................................................................................... 5.3WieHubbleneueForschungsfelderaufdeckt............................................................. 6.DasJames–WebbTeleskop.................................................................................Seite18 7.DerWissenstandheute...........................................................................................Seite19 8.Quellenverzeichnis...................................................................................................Seite20 8.Anhang...........................................................................................................................Seite21 3 1. Vorstellung des Teleskops Seit Jahrhunderten beschäftigt sich die Menschheit mit den Weiten des Universums, um essentielle Dinge, wie den Wechsel von Tag zu Nacht, das Leuchten der Sterne und des Mondes, erklären zu können oder die Existenz anderer Lebewesen zu entdecken. Auch die Frage, ob der Mensch einen anderen Planeten bevölkern könnte, faszinierte die Menschheit. Doch erst mit der Erfindung der Teleskope gelang es, den Sternen und Planeten wirklich näher zu kommen. Auch heute wird noch sehr viel Geld in die Entwicklung neuer Teleskope gesteckt, in der Hoffnung einen noch tieferen Blick ins Universum werfen zu können und so der Entstehungsgeschichte des Weltalls und allen seinen Phänomenen auf die Spur zu kommen. Für die Astronomie sind Teleskope das Werkzeug der Physik und spielen damit eine entscheidende Rolle für die Entwicklung, der Verbesserung und der Vervollständigung unseres Weltbildes. Die vorliegende Arbeit fragt danach, wie der Weg beschaffen war, der gegangen werden musste, um unsere heutigen Bilder aus dem All zu erhalten. Außerdem sollen dem Leser die physikalischen Grundzüge der Teleskope aufgezeigt werden. Anhand des Very Large Telescopes möchte ich technische Neuerungen vorstellen, die uns die heutigen Bilder liefern, ergänzend soll die Radioteleskopie erklärt werden. Vertieft sollen auch das Hubble-Teleskop und die damit verbundenen Raumfahrtmissionen betrachtet werden. Ein Ausblick in eine bereits absehbare Zukunft erfolgt anhand des James- Webb Telescopes. Im Verlauf der Arbeit werden auch die physikalischen Hindernisse, vor denen die Physiker und Ingenieure immer wieder standen und stehen, erläutert und die Lösungswege erklärt. 2. Die Entstehungsgeschichte des Teleskops 2.1.Hans Lipperhey oder Zacharias Janssen? Bis heute ist ungeklärt, wer das erste Fernrohr gebaut hat. Fest steht: Den ersten Patentantrag stellte der deutsch- niederländische Brillenmacher Hans Lipperhey1 1 http://galileo.rice.edu/sci/lipperhey.html (3.11. 2012): geboren ca. 1570 in Wesel und 1619 in Middelburg gestorben. 4 im Jahr 1608 unter Prinz Moritz1 von Oranien, dem Statthalter und KapitänGeneral der Land- und Seestreitkräfte der Vereinigten Niederlanden. Dem Patentantrag wurde aber nie entsprochen, da der Optiker Zacharias Janssen ebenfalls den Anspruch erhob das Teleskop erfunden zu haben. Dennoch zahlte die niederländische Regierung Hans Lipperhey Geld für den Bau eines Fernrohrs, da sich Prinz Moritz davon einen Vorteil in der von ihm betriebenen modernen Kriegsführung und Seefahrt versprach2. Bei diesem neuen optischen Gerät handelte es sich um den ersten Refraktor, das durch die korrekte Anordnung zweier Linsen eine Vergrößerung eines weit entfernten Objekts, schafft. Heute wird zwar Hans Lipperhey als Erfinder des Teles– kops gesehen, Historiker fanden aber Dokumente, die belegen, dass Zacharias Janssen bereits 1604 den ersten Refraktor gebaut hat.3 2.2 Die ersten Entdeckungen mit dem Refraktor Der Mathematiker, Philosoph und Physiker Galileo Galilei4 war der erste Wissenschaftler, der Aufzeichnungen veröffentlichte, die auf Beobachtungen mit einem Teleskop beruhen. Am 30. November 1609 gelangte er zu der Überzeugung, dass die Oberfläche des Mondes nicht glatt, gleichförmig und perfekt rund sei [...], sondern uneben, ungleichmäßig, zerklüftet und gebirgig [...]5. Damit war die allgemeine, göttliche Perfektion, die man allen Planeten zuschrieb, widerlegt. In Folge weiterer Beobachtungen mit dem Teleskop entdeckte Galilei 1610, dass sich vier Sterne um den Planeten Jupiter bewegten. Damit stellte er das geozentrische Weltbild in Frage, wonach sich alles um die Erde dreht. Wie bei Galilei entfachte die Erfindung des Teleskops den Eifer vieler Forscher. So auch den Christiaan Huygens6, der als bester Hersteller von Teleskopen seiner 1 Meyers Großes Taschenlexikon, Band 15, S. 31: Moritz von Oranien wurde am 13. November 1567 in Dillenburg geboren. Er starb am 23. April 1625 in Haag. 2vgl.: Schilling, Christensen: Unser Fenster zum Weltraum, S. 11 3vgl.:Schilling,Christensen:UnserFensterzumWeltraum,S.12 4MeyersGroßesTaschenlexikon,Band7,S.332:geboreninPisaam15.Februar1564.Ver‐ storbenam8.Januar1642inArcentri. 5vgl:Schilling,Christensen:UnserFensterzumWeltraum,S.14 6 http://www.uni-muenster.de/NiederlandeNet/nl-wissen/bildungforschung/personen/huygens.html (3. 11. 2012): Huygens war niederländischer Astronom, Physiker und Mathematiker. Er wurde 1629 in Den Haag geboren und starb dort 1695. 5 Zeit galt. Zusammen mit seinem Bruder fertigte er hochwertige Linsen1 für die Himmelsbeobachtung. Seine wichtigste Entdeckung war die der Polkappen auf dem Mars. Sie warf die Frage nach der Existenz von Wasser und damit möglicherweise von Leben außerhalb der Erde auf. 1668 benutzte Sir Isaac Newton erstmals einen Reflektor. Anders als der Refraktor bündelt dieser das Licht nicht mehr durch Linsen, sondern vielmehr durch zwei Spiegel. Darin sah Newton einen vielversprechenden Ansatz, neue und bessere Bilder aus dem All zu erhalten. Er war damit seiner Zeit voraus. Weil zu dieser Zeit noch keine entsprechend hochwertigen Spiegel hergestellt werden konnten, kam der Durchbruch der Reflektoren erst ein Jahrhundert später.2 2.3 Die ersten großen Teleskope Obwohl er eigentlich Musiker war, erbaute Wilhelm Herschel3 für seine Zeit sehr leistungsfähige Teleskope4. Sie beeindruckten schon durch ihre Größe. Es bedurfte mehrerer Personen, um diese auszurichten, da sie sehr schwerfällig waren. Zusammen mit seiner Schwester Caroline5 fertigte Herschel Spiegel mit einem Durchmesser von 1,20 Metern, was in dieser Zeit enormes Geschick erforderte. So entdeckte er am 13. März 1781 Uranus, der seinen Namen aber erst später erhielt. Viel wichtiger als die Namensgebung: Für die Astronomen dieser Zeit hatte sich die Größe des Universums mit einem Schlag verdoppelt. Herschel erkannte nämlich, dass sich Uranus hinter Jupiter bewegte, der als äußerster Planet galt. Dass er ein hervorragender Astronom war - ohne Physik oder Astronomie studiert zu haben - bewies er durch seine Kartografie der Milchstraße. Sie gründete auf der Erkenntnis, dass es sich bei diesem Phänomen um die Ansammlung vieler Galaxien in einer Ebene handeln musste6. Das größte Teleskop des 19. Jahrhunderts wurde 1847 in Irland errichtet. Sein Erbauer der Ire William Parsons Earl of Rosse nannte es wegen seiner Größe 1vgl.Schilling,Christensen:UnserFensterzumWeltraum,S.17 2 vgl. Schilling, Christensen: Unser Fenster zum Weltraum, S.17 oben. Meyer Großes Taschenlexikon, Band 9, S. 301: wurde am 15. November 1738 in Hannover geboren und verstarb am 25. August 1822 in Slough, England. Dort diente er unter König Georg III. und wurde schließlich zum Ritter geschlagen. 4 siehe Bild 1 im Anhang 5 Meyers Großes Taschenlexikon , Band 9, S. 301: wurde geboren am 16. März 1750 in Hannover und dort am 9. Januar 1848 gestorben. 6 Siehe Schilling, Christensen: Unser Fenster zum Weltraum, Abb. S. 22 3 6 „Leviathan of Parsonstown“ 1. So wog allein der Spiegel des Teleskops 3.5 Tonnen, sein Durchmesser betrug 1,80 Meter. Mittels Seilzügen, die an den 20 Meter hohen Mauern um den Tubus befestigt waren, ließ sich das Teleskop auf einem Kugellager sowohl horizontal als auch vertikal bewegen.2 Der Ire fertigte anhand seiner astronomischen Beobachtungen detaillierte Zeichnungen des Krebsnebels und der Whirlpool-Galaxie an, die kaum von den Fotos heutiger Hochleistungsteleskope abweichen. Dem Zeitalter der mechanisch bedienten Teleskope setzte der Bau des Hooker-Teleskops 1917 ein Ende. Eine neue Ära vieler verschiedener Großteleskope begann. Sie liegen über den ganzen Globus verteilt. 3. Die Funktionsweise des Teleskops Bei Lipperheys sogenanntem holländischen Fernrohr,3 der Urversion des Teleskops, wird das Licht durch eine Glaslinse gebrochen und in einem Brennpunkt gebündelt. Der Abstand zwischen Linse und Brennpunkt wird Brennweite genannt. Je nach Schliff der Linse ändert sich diese Brennweite, da Licht bei stärkerer Krümmung der Linse auch stärker gebrochen wird und damit der Brennpunkt näher an die Linse rückt. Bei schwachem Schliff verhält es sich genau umgekehrt. Da sich Licht aber aus Strahlen verschiedener Wellenlängen zusammensetzt, die dann jeweils wieder geringfügig andere Brennpunkte haben, kommt es bei der Verwendung einer einzelnen Linse zu einem unscharfen Bild. Wird nur eine Linse verwendet, spricht man auch von einem Chromaten4, bei zwei Linsen von einem Achromaten. Die zweite Linse wird dabei so geschliffen, dass das unterschiedlich gebrochene Licht auf einen gemeinsamen Brennpunkt fällt. Allerdings entsteht wegen der angesprochenen unterschiedlichen Wellenlängen kein exaktes Bild, sondern vielmehr eines mit Blausaum.5 Erst durch das Einsetzen einer sehr aufwändig geschliffenen und damit kostspieligen dritten Linse kann ein scharfes Bild 1 Meyers Großes Taschenlexikon, Band 13, S. 115: (hebr: gewundenes Tier). Der Leviathan ist ein allmächtiges Wesen aus der christlich-jüdischen Mythologie in Gestalt des Chaosdrachen oder eines Krokodils nach Hiob 40, 25 ff. 2 siehe Bild 2 im Anhang 3 Gerstenberg Verlag (1998). Das visuelle Lexikon der Naturwissenschaften, S. 297. Weil das holländische Fernrohr später von Galileo Galilei weiterentwickelt wurde, spricht man auch von dem Galilei-Fernrohr. 4MeyersGroßesTaschenlexikon,Band4,S.314:Chromatik(griech.chroma‐dieFarbe)be‐ deutetVerfärbung. 5 astronomie-tagebuch.de/refraktor.php (7.6.12) 7 erzeugt werden. Diese Vorrichtung nennt sich dann Apochromat. Problematisch ist zudem bei Refraktoren das Eigengewicht der Linse. Denn um ein möglichst gutes Bild zu bekommen, werden sehr große Linsen benötigt, die sich dann unter ihrem Eigengewicht verformen können. Der größte Refraktor der Gegenwart steht heute in Yerkes Wisconsin. Er hat eine Linse mit einem Durchmesser von 102 Zentimeter.1 Diese geschilderten physikalischen Einschränkungen bewogen bereits 1668 Sir Isaac Newton2, das Spiegelteleskop zu entwickeln. Er nutzte dazu die vergrößernde Wirkung konkaver Spiegel. In deren rundlich ausgeschliffener Form wird das zurückgeworfene Licht in einem gemeinsamen Brennpunkt gebündelt, wo das Objekt dann vergrößert erscheint. Newton konstruierte sein Teleskop in folgender Anordnung: Abb. 13 1 http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Yerkes-Sternwarte.html (7.6.12) auch S. 6 3 http://www.seeing1.de/bilder/astro/shema_newt.gif (3.11.2012) 2siehe 8 Das Licht fällt auf den konkaven Primärspiegel und wird von dort auf den Sekundärspiegel geworfen, der dann das Bild im Okular sichtbar macht. Mit dieser Anordnung gelang es Newton, erstmals scharfe Sternbilder zu bekommen. Nach diesem relativ einfachen Prinzip sind heute die meisten Teleskope für Alltagsanwendungen aufgebaut. Für wissenschaftliche Zwecke kommt heute das sogenannte Cassegrain Teleskop1 zum Einsatz: Abb. 22 1 2 benannt nach dem Erfinder, dem französischen Gelehrten Laurent Cassegrain (ca. 1629 – 1693) http://www.astrofotografie.org/images/maksutov.jpg ( 3.11 2012) 9 Der Vorteil gegenüber dem Newton Teleskop besteht in der Möglichkeit, Messinstrumente außerhalb des Gerätes anzubringen. Darüber hinaus bedarf es keiner zusätzlicher Befestigungen für den Sekundärspiegel, die das Bild stören können. Da sich dank hochreflektierender Silberbeschichtungen von Glasspiegeln die Teleskop-Spiegel weitaus größer herstellen lassen als Linsen, werden heute zu wissenschaftlichen Beobachtungen fast ausschließlich Reflektoren verwendet. Entscheidende Parameter für Forschungsarbeiten sind dabei Grenzgröße und Auflösungsvermögen. Die Grenzgröße ist die geringste Helligkeit, die ein Teleskop noch sichtbar machen kann. Das Auflösungsvermögen bezeichnet den kleinsten erkennbaren Winkelabstand zweier Sterne, bevor man nur noch einen einzigen Punkt sieht. 4. Technik moderner Teleskope am Beispiel des VLT 4.1. Das VLT Das VLT (Very Large Telescope) steht am Cerro Paranal in der chilenischen Atacama Wüste auf einer Höhe von 2600 Metern. Es ist das Aushängeschild der ESO (European Southern Observatory)1 und wurde am 1. April 1999 das erste Mal eingeschaltet. Es setzt sich aus vier Großteleskopen mit jeweils 8.2 Metern Spiegeldurchmesser und vier kleineren Hilfsteleskopen mit jeweils 1,8 Metern Durchmesser zusammen. Diese können getrennt voneinander einzelne Beobachtungen durchführen oder zusammengeschaltet arbeiten. Die vier Hauptteleskope sind nach Sonne, Mond, dem Sternbild Kreuz des Südens und der Venus als Abendstern benannt: Sie heißen in der Sprache des in der Atacama Wüste ansässigen Mapuche Volkes entsprechend „Antu“, „Kueyen“, „Melipal“ beziehungsweise „Yepun“.2 1 http://www.eso.org/public/germany/about-eso.html (28. 10 2012): Die ESO wurde 1962 gegründet und hat ihren Sitz in Garching. Sie ist ein Kooperationsprojekt von 15 Ländern, die gemeinsam in moderne Teleskope und astronomische Forschungsarbeit investieren. 2vgl.: http://www.eso.org/public/teles-instr/vlt/vlt-names.html ( 3.11 2012) 10 4.2. Azimutale Montierung Die aufwändige und teure parallaktische Montierung hat nur eine Rotationsachse parallel zur Erdachse. So muss das Teleskop dem Objekt lediglich langsam folgen. Die Steuerung ist zwar einfach, die Montierung aber kompliziert. Deshalb sind die Astronomen auf azimutale Montierung umgestiegen. Hierbei werden eine Rotationachse horizontal und eine Rotationsachse vertikal angelegt. Da sich die Höhe zum Horizont und der Azimut1 unterschiedlich schnell ändern, ist diese Montierung computergesteuert. So lässt sich das Objekt kontinuierlich beobachten. Deshalb setzte sich diese Art der Montierung erst mit der Einführung entsprechend leistungsfähiger Computer in den siebziger Jahren durch.2 Die Umstellung auf diese Montierung wurde aber nicht nur aus Kosten- sondern auch aus Platzgründen vollzogen. Die einfache Montierung macht nun auch kompakte Kuppelteleskope mit hoher Auflösungsleistung möglich. 4.3. Aktive - und adaptive Optik Die aktive Optik gleicht Verformungen der Spiegel mithilfe sogenannter Aktuatoren aus. Aktuatoren werden hinter den Spiegeln angebracht, wo sie computergesteuert mechanisch wirken. Spiegel verformen sich aufgrund von Wärme-, Gravitations-, und Windeinflüssen. Diese Einflüsse werden gemessen und die Aktuatoren ziehen die Spiegel in ihre Ursprungsform zurück. Mit einer Reaktionszeit von etwa 100 Millisekunden bietet diese Technik Möglichkeiten, all jene Einflüsse auszugleichen, die den Spiegel verändern. Um auf Veränderungen der Lichtwellen zu reagieren, ist sie aber zu langsam. Deshalb wird am VLT zusätzlich die adaptive Optik eingesetzt. Sie reagiert auf von der Erdatmosphäre veränderte Lichtstrahlen beziehungsweise ihre Wellenfronten. Ingenieure unterscheiden zwischen adaptiver Optik erster und zweiter Ordnung. 1MeyersGroßesTaschenlexikon,Band2,S.320:Azimut,(hebr.:as‐summut:WegeRichtun‐ gen),gibtdenWinkelzwischenSüdrichtungundObjektan. 2vgl.:Schilling,Christensen,UnserFensterzumWeltraum,S.50 11 Die adaptive Optik erster Ordnung reagiert mit einem einfachen Kippspiegel, der das Licht auf den parabolischen Spiegel lenkt. Von dort trifft es auf die Messinstrumente oder die Kamera. Zwischen diesen zwei Instrumenten wird zusätzlich ein durchlässiger Spiegel angebracht, der Teile des Lichts auf einen Sensor wirft. Dieser misst nun die verbeulten Wellenfronten, ein Rechner setzt die Informationen um und steuert den Kippspiegel an, auf den das Licht zuerst fällt. Das Licht wird so in einem variierbaren Winkel auf den Parabolspiegel gelenkt und der Bildschwerpunkt optimiert. So kann das durch Brechung an der Erdatmosphäre veränderte Bild bereits verbessert werden. Zusätzlich kann aktive Optik zugeschaltet werden. Nun spricht man von adaptiver Optik zweiter Ordnung. Hierbei steuert der Rechner dann auch die Aktuatoren des Parabolspiegels, der sich den Wellenfronten entsprechend verformt. Auf diese Weise lässt dich die dauernd wechselnde Brechung des Lichts ausgleichen beziehungsweise korrigieren1. Zur Messung der Wellenfronten setzen die Astronomen zusätzlich einen Natriumlaser ein, der einen Vergleichsstern simuliert. Der Laserstrahl mit bekannten Eigenschaften wird durch die Atmosphäre zurückgeworfen und von ihr verändert. So kann man die Einflüsse messen, denen das Licht auf dem Weg zum Teleskop ausgesetzt ist. Dies setzen der Computer und die Aktuatoren dann entsprechend um; der Spiegel wird so verzerrt, dass die atmosphärischen Abweichungen korrigiert werden.2 1vgl.DasGroßeLexikonderTechnik(Arena)2002,S.228 2vgl.DasGroßeLexikonderTechnik(Arena)2002,S.228 12 4.4. Interferometrie Das VLT hat als zusätzliches Instrument ein Interferometer das VLTI1. Hierbei werden die großen Einzelteleskope mit den kleineren Hilfsteleskopen kombiniert, die auf Schienen bewegt werden können.2 Durch die unterschiedliche Positionierung der Einzelteleskope kommt es zur Phasenverschiebung der Lichtwellen. Um eine verbesserte Bildqualität zu erhalten, muss dieser Unterschied aufgehoben werden. Das Ziel der konstruktiven Interferenz wird durch das Anordnen vieler Spiegel und Linsen erreicht3. Das heißt, dass die Teleskope ihre Leistungsfähigkeit kombinieren und erhöhen. Das optische Auflösungsvermögen verbessert sich mit der Basislänge, die den Abstand zwischen den beobachtenden Teleskopen angibt. Das VLT kann mit den vier Hauptteleskopen eine Basislänge von 130 Metern schaffen. Durch die Hilfsteleskope kann eine Basislänge von 200 Metern erreicht werden. Zur Auswertung der Lichtstrahlen wurden die Messinstrumente MIDI4, AMBER5, PRIMA6 und VINCI7 entwickelt. Sie ermöglichten die Bestimmung des Durchmessers verschiedener Sterne. 4.5. Radioteleskopie Dass das Weltall nicht nur Wellenlängen des sichtbaren Lichts aussendet, sondern auf allen Wellenlängen Signale aufweist, fand erstmals der Hochfrequenztechniker Karl Guthe Jansky8 im Jahr 1932 heraus. Er empfing mit seiner Antenne Signale der Milchstraße. Das war der erste Schritt zu heutigen Radioteleskopen. Die 1 http://www.eso.org/sci/facilities/paranal/telescopes/vlti/index.html(31.10.2012) : Very Large Telescope Interferometer. 2 s. Anhang Bild 3 3 s. Anhang Bild 4 4 http://www.eso.org/sci/facilities/paranal/telescopes/vlti/instruments/index.html(31.10.2012): MIDI: mid- infrared Interferometric Instrument. Es kombiniert die Wellen eines Großteleskops mit denen eines Hilfsteleskops. Zusätzlich ist es mit Spektroskopen ausgestattet. 5 http://www.eso.org/sci/facilities/paranal/instruments/amber/ (31.10.2012): AMBER: Astronomical Multi- Beam Combiner. Dieses Instrument kann das Auflösungsvermögen deutlich erhöhen. 6 http://www.eso.org/sci/facilities/paranal/telescopes/vlti/instruments/prima/index.html (31.10.2012) : PRIMA: Phase-Referenced Imaging and Micro-arcsecond Astrometry. Mit Hilfe von Prima lassen sich nah beieinander liegende Objekte unterscheiden. 7 http://www.eso.org/sci/facilities/paranal/telescopes/vlti/instruments/vinci/vinci_data_sets.html (31.10.2012): VINCI: VLTI- Comissioning Instrument. Ein Kontrollinstrument zur Überwachung des VLTI 8 http://www.nrao.edu/whatisra/hist_jansky.shtml (31.10.2012): Karl Guthe Jansky wurde am 22. Oktober 1905 in Norman, Oklahoma geboren und verstarb am 14. Februar 1950. 13 se schaffen eine vollkommen neue Dimension astronomischer Beobachtungen. Sie sind – ähnlich wie Reflektoren – mit einer parabolischen Empfangsschüssel ausgestattet, welche die Wellen auf die Messinstrumente bündelt. Diese können deutlich größer als Teleskopspiegel gebaut werden, da die Oberfläche nicht zwingend perfekt glatt sein muss. Da sich Radiowellen leichter elektronische weiterverarbeiten lassen, kann man sie auch über weite Strecken senden. So können Radioteleskope, die selbst über einen ganzen Kontinent verteilt liegen, zusammengeschaltet werden und ein Interferometer mit sehr großer Basislänge bilden.1 Das Very Large Array2 beispielsweise besteht aus 27 Einzelteleskopen mit jeweils einem Durchmesser von 25 Metern, die alle gemeinsam ein Interferometer bilden mit einer maximalen Basislänge von 36 Kilometern. Mit Hilfe von Radioteleskopen lassen sich niederfrequente, energiearme Wellen untersuchen. Diese werden zum Beispiel von Gasnebeln oder den aktiven Kernen entfernter Galaxien ausgesendet.3 Ein weiteres Beispiel liefert die kosmische Hintergrundstrahlung. Diese beim Urknall entstandene Lichtstrahlung wurde durch die Expansion des Universums so gedehnt und „verdünnt“, dass sie nur noch im Radiowellenbereich nachweisbar ist. Um deren Absorption durch in der Luft enthaltenen Wasserdampf zu vermeiden, werden die Radioteleskope meist in sehr trockenen Gebieten und in hoher Lage gebaut. Das neueste Projekt ALMA (Atacama Large Millimeter Array) liegt deshalb auf 5000 Metern Höhe in Chile und soll 2014 fertiggestellt werden. Es werden 64 Antennen aufgebaut, die sich mit Lkw’s versetzen lassen. So sind sowohl detaillierte Betrachtungen von einem Objekt als auch die Betrachtung eines großen Ausschnitts des Universums möglich. Man verspricht sich von diesen Beobachtungen, neue Erkenntnisse über extrasolare Planeten zu gewinnen, und hofft auch Signale zu empfangen, die Aufschluss über die Entstehung des Universums geben. 1Vgl.Burnham,Dyer,Garfinkle,George,Kanipe,Levy;DerSternenhimmel,einastronomi‐ scherWegweiser(1997),S.20f. s. Anhang Bild 5 3vgl.Burnham,Dyer,Garfinkle,George,Kanipe,Levy;DerSternenhimmel,einastronomi‐ scherWegweiser(1997),S.20. 2 14 5. Das Hubbleteleskop 5.1 Von der Idee zum Start der Discovery Der amerikanische Astronom Lyman Spitzer1 stellte der Fachwelt 1946 erstmals die Idee eines Teleskops im Weltall zur Grundlagenforschung vor. Weil Astronomen in dieser Zeit ihren Schwerpunkt beim Bau moderner Teleskope von größerem Durchmesser auf der Erde sahen, wurde ihm keine Beachtung geschenkt. Noch steckte die Raumfahrt schließlich in den Kinderschuhen. Erdsatelliten starteten erst ab 1957 in den Orbit. Es war schließlich die NASA2 , die dem Weltraumteleskopprojekt 1969 Aufmerksamkeit schenkte. Man beschloss aber schon jetzt, dass ein in die Erdumlaufbahn entsandtes Teleskop regelmäßig gewartet werden sollte. Deshalb war seine Entwicklung auch von den fortschreitenden Plänen zu einem Spaceshuttle abhängig. Erst 1975 gab US-Präsident Gerald Ford3 die erforderlichen 400 bis 500 Millionen Dollar an Forschungsmitteln frei. 1977 kam es zu Kooperationsverträgen zwischen NASA und ESA4, die den Europäern Beobachtungszeiten mit dem Hubbleteleskop zusicherten. Im Gegenzug wurden einzelne Bauteile des Teleskops von der ESA geliefert. Das GarchingForschungszentrum wurde um ein Koordinierungsinstitut für das Hubbleteleskop erweitert. Obwohl das Teleskop bereits 1983 fertiggestellt war, dauerte es sieben Jahre, bis die Discovery5 am 24. April 1990 endlich startete. Auch die Kosten überschritten mit zwei Milliarden Dollar bei weitem das geplante Budget.6 1 http://www.spitzer.caltech.edu/info/241-Lyman-Spitzer-Jr- (31.10.2012): Lyman Spitzer Jr. wurde am 26. Juni 1914 in Toledo geboren und verstarb am 31. März 1997. 2 http://history.nasa.gov (31.10.2012) : Die NASA ( National Aeronautics and Space Adminstration) wurde 1958 gegründet und gehört seither zu den führenden Forschungseinrichtungen weltweit 3 Meyers Großes Taschenlexikon, Band 7, S. 163: Gerald Rudolph Ford wurde am 14. Juli 1913 in Omaha geboren. Er regierte als 38. Präsident der USA von 1974- 1976. 4 Meyers Großes Taschenlexikon Band 6, S. 238: Die ESA ( European Space Agency) wurde am 31. Mai 1975 gegründet. Sie bildet ein Kooperationsprojekt europäischer Länder zur Weltall Forschung. Ihr Hauptsitz liegt in Neuilly- sur- Seine. 5 http://www.nasa.gov/centers/kennedy/shuttleoperations/orbiters/discovery-info.html (01. 11. 2012): Die Discovery ist der dritte Orbiter der NASA. Sie flog über 30 Missionen. Heute ist sie Ausstellungsstück im Smithsonian Institute in Washington. 6Fischer, Duerbeck, Das Hubble- Universum: neue Bilder und Erkenntnisse (1998), S. 23 ff. 15 5.2 Die Service Missionen der NASA Am 20. Mai 1990 kamen auf der Erde die ersten Aufnahmen der WF/PC1, der Hauptkamera des Hubbleteleskops, an. Statt bahnbrechender Erkenntnisse gab es anfangs allerdings Ernüchterung: Einer der Spiegel war falsch geschliffen worden. Obwohl es sich nur um einen Fehler von zirka zwei Mikrometern handelte, ließen sich die Objekte nicht mehr scharf abbilden. Um diesen dann doch gravierenden Fehler zu beheben, plante die NASA die erste Service Mission für Hubble. Da es unmöglich war, den 2.40 Meter großen Spiegel auszutauschen, entschied man sich COSTAR2 einzusetzen: einen Zwischenspiegel, der abgestimmt auf das jeweilige Messinstrument, den Fehler behebt. Er wurde am 2. Dezember 1993 mit der Raumfähre Endeavour ins All befördert. Die Besatzung dieser Mission bestand aus sieben Astronauten, die insgesamt sechs Tage mit der Reparatur und Wartung des Teleskops beschäftigt waren. Mit Hilfe eines Roboterarms3 wurde das gesamte Teleskop in den Laderaum des Shuttles befördert. Insgesamt kostete diese Mission 674 Millionen Dollar. Nachdem aber die Bilder, die Hubble seither sendet, perfekt scharf sind, gilt die Mission als voller Erfolg. Die zweite Service Mission begann am 11. Februar, diesmal wurde wieder die Discovery eingesetzt. Das Spaceshuttle näherte sich bis auf zehn Meter dem Teleskop, was vom Kommandanten Kenneth Bowersox höchste Präzision erforderte. Wieder wurde das Teleskop mit Hilfe des Roboterarms im Laderaum fixiert. Dabei war aber entscheidend, die sensiblen Solarsegel nicht zu beschädigen, da deren Verlust das Aus für das Teleskop bedeutet hätte. Das Hauptziel der Mission war neben der Wartung und Verbesserung der Instrumente, die Veränderung der Umlaufbahnhöhe. So wurde das Hubbleteleskop auf eine Bahnhöhe von maximal 620 Kilometern gebracht. Dieser Schritt war erforderlich, da die Astronomen mit einem Anstieg der Sonnenaktivität rechneten. Das bedeutet für die Atmosphäre eine Ausdehnung und damit für Satelliten in der Exosphäre eine höhere Reibung. 1 Fischer, Duerbeck, Das Hubble- Universum: neue Bilder und Erkenntnisse (1998), S. 27: Die WF/PC (Wide Field and Planetary Camera) ist die Hauptkamera des Teleskops. Sie wird auch Wiffpick genannt. 2 http://hubblesite.org/the_telescope/team_hubble/servicing_missions.php (1.11. 2012): COSTAR: Corrective Optical Space Telescope Axial Replacement 3 Siehe Anhang, Bild 6 16 Im Ergebnis nimmt die Bahngeschwindigkeit ab. Es kommt zu einem Höhenverlust, im schlimmsten Fall zum Absturz des Satelliten. Im Laufe von zwei weiteren Missionen wurden die Kameras ausgetauscht, die jetzt den optischen Fehler des Spiegels selbst korrigieren, daher konnte man nun auch auf COSTAR verzichten. Mit diesen Kameras kann das Hubbleteleskop nicht nur sichtbares Licht verarbeiten, sondern nimmt auch im Ultraviolett- und Infrarotbereich auf. Dies ist für die Erforschung des Universums notwendig, weil dieses Signale auf allen Wellenlängen aufweist. Ein weiteres Instrument stellt ein Spectrograph dar, mit dem sich Erkenntnisse über die molekulare Zusammensetzung der Sterne gewinnen lassen. 5.3 Wie Hubble das neue Forschungsfelder aufdeckt Dass sich das Universum ausdehnt, war bereits vor Hubble bekannt. Anhand der neuen Bilder aber erkannte man, dass sich die Ausdehnung des Universums keineswegs verlangsamt, wie es aufgrund von Gravitation zwischen den Galaxien zu vermuten wäre. Ganz im Gegenteil. Die Aufnahmen ließen darauf schließen, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Diese Erkenntnis ziehen Astronomen aus der nun möglichen Beobachtung von Supernovas1 des Typs 1a, welche immer die gleiche Helligkeit aufweisen. Da die eigentliche Helligkeit des Objekts bekannt ist, lässt sich die Entfernung des Objekts anhand der beobachteten Lichtintensität bestimmen. Um die räumliche Änderung des Objekts zu bestimmen, nutzen Forscher das sogenannte Redshift. Der explodierende Stern sendet weißes Licht aus. Da sich aber das Universum ausdehnt und damit auch die Wellen des Lichts gestreckt werden, erscheint die Supernova auf der Erde in einem roten Licht. Je höher die Intensität des Rot, desto weiter wurden die Wellen gedehnt, also desto weiter hat sich das Objekt entfernt. Diese Beobachtung brachte die Astronomen zu dem Schluss, dass es eine Kraft geben muss, die entgegen der Gravitationskraft wirkt und das Universum weiter beschleunigt. Man geht davon aus, dass es sich bei 74 Prozent der Energie des 1 Meyers Großes Taschenlexikon, Band 21, S. 253 f.: Stern dessen Helligkeit plötzliche extrem zunimmt; wahrscheinlich kurz vor dem Tod des Sterns und dem Zusammenfall zum Neutronenstern oder zum schwarzen Loch 17 Universums um sogenannte dunkle Energie handelt1. Deren Ursache lässt sich nicht mit Gewissheit bestimmen. Mit der Entdeckung dieses Phänomens entstand ein neues Forschungsgebiet der Physik, das Astronomen noch viele Jahre beschäftigen wird. Es hat das Ziel, unserem Universum weiter auf die Spur zu kommen. 6. Eine Blick in die Zukunft - das James Webb Teleskop Das James Webb Teleskop ist nach dem früheren NASA-Leiter James Webb2 benannt. Dieses Weltraumteleskop soll im Jahr 2018 auf eine Höhe von 1,5 Millionen Kilometern über der Erde gebracht werden. Dabei soll es immer um einen Punkt der Verlängerung der Verbindung zwischen Erde und Sonne bleiben.3 Nur dort erlaubt es die Gravitation, dass das Teleskop seinen Orbit hält. Ein weiterer Vorteil ist, dass an diesem Punkt die Störfaktoren der Erde abgeschirmt werden können.4 Es wird mit einem Spiegel von 6,5 Metern Durchmesser ausgestattet. Dieser soll aus 18 hexagonalen Segmenten bestehen, die sich nach dem Transport mit einer Ariane 5 Rakete der ESA auffalten. Anders als das Hubbleteleskop wird das James Webb Teleskop über keinen Tubus verfügen5. Stattdessen wird ein Wärmeschild den Spiegel und die sensiblen Instrument vor komischer Strahlung schützen, der unterhalb des Spiegels angebracht wird. Durch eine Goldbeschichtung, die Infrarotlicht reflektiert, wird es möglich sein, auch Bilder im höheren Wellenlängenbereich zu erhalten. Zur Auswertung dieser Bilder werden vier Instrumente oberhalb des Schutzschildes angebracht. Diese hochempfindlichen Geräte arbeiten nur bei sehr kalten Temperaturen. Deshalb wurde auf den Tubus verzichtet. Die bei der Arbeit der Instrumente entstehende Wärme wird ins All abgestrahlt. Dadurch bleibt das Teleskop kalt und kann effektiv arbeiten.6 1vgl.:http://hubblesite.org/hubble_discoveries/dark_energy/(4.11.2012) 2 http://history.nasa.gov/Biographies/webb.html (2.11.2012): James Webb wurde am 7. Oktober 1906 in Tally Ho geboren und verstarb am 27. März 1992. 3 s. Bild 7 im Anhang 4vgl.: http://webbtelescope.org/webb_telescope/technology_at_the_extremes/overview.php (4.11.2012) 5 s. Bild 8 im Anhang 6vgl.: http://webbtelescope.org/webb_telescope/technology_at_the_extremes/keep_it_cold.php#o rbit(4.112012) 18 Die weniger empfindlichen Sende- und Empfangsantennen sind unterhalb des Schildes befestigt. Diese werden die Bilder an das Kontrollzentrum senden. Da das Teleskop in Kollaboration zwischen NASA, ESA und der Canadian Space Agency entsteht, werden die Einzelteile an vielen verschiedenen Punkten der Erde produziert. Die ESA beispielsweise lieferte MIRI, ein Messinstrument für den mittleren Infrarotbereich. 7. Weitere Perspektiven Während die Astronomen des Mittelalters noch ihre Forschungsergebnisse gegen Kirche und Staat durchsetzen mussten, haben es die Forscher des 21. Jahrhunderts leichter, auf Grundlage nachweisbarer Erkenntnisse ihre Thesen und Standpunkte äußern. Dennoch ist es keineswegs sicher, dass alles, was sie behaupten, auch Gültigkeit hat. Nur durch ständiges Forschen und selbstkritisches Hinterfragen können Astronomen unseren Blick auf uns selbst und den Blick auf das Universum schärfen. Dies kann aber nur gelingen, wenn auch die Beobachtungsinstrumente neue Blickwinkel ermöglichen und Organisationen wie die ESA, ESO oder NASA weiter Teleskop-Projekte investieren. Der weite Weg vom geozentrischen Weltsystem des Mittelalters bis hin zur Entdeckung der dunklen Materie wurde er erst durch die Weiterentwicklung von Teleskopen möglich. Wohin dieser Weg die Menschheit noch führen wird, bleibt ungewiss und spannend. Fest steht: Immer bessere Teleskope, wie das James Webb Teleskop, werden diesen Weg vermutlich weiter erhellen und auch weisen können. Quellennachweis 19 Literatur: - Adams Peter, Das große Arena Lexikon der Technik, Auflage 1, 2002 Bibliographisches Institut Mannheim, Meyers großes Taschenlexikon in 24 Bänden, Mannheim 1981 Burnham Robert, u.a., Der Sternenhimmel; Ein astronomischer Wegweiser, Köln 2000 Fischer Daniel, Duerbeck Hilmar, Das Hubble – Universum; Neue Bilder und Erkenntnisse, Berlin 1998 Schilling Govert, Lindberg Lars, Unser Fenster zum Weltraum; 400 Jahre Entdeckungen mit dem Teleskop, Auflage 1, 2009 Weblinks: - astronomie-tagebuch.de/refraktor.php (7.6.12) http://galileo.rice.edu/sci/lipperhey.html ( 28. 10. 2012) http://history.nasa.gov (31.10.2012) http://history.nasa.gov/Biographies/webb.html (2.11.2012) http://hubblesite.org/hubble_discoveries/dark_energy/ (4.11.2012) http://hubblesite.org/the_telescope/team_hubble/servicing_missions.php (1.11. 2012) http://webbtelescope.org/webb_telescope/technology_at_the_extremes/ove rview.php (4.11.2012) http://webbtelescope.org/webb_telescope/technology_at_the_extremes/kee p_it_cold.php#orbit (4.11 2012) http://www.astrofotografie.org/images/maksutov.jpg ( 3.11. 2012) http://www.astrofotografie.org/images/maksutov.jpg (4. 11. 2012) http://www.eso.org/public/germany/about-eso.html (28. 10 2012) http://www.eso.org/public/teles-instr/vlt/vlt-names.html ( 3.11 2012) http://www.eso.org/sci/facilities/paranal/telescopes/vlti/index.html (31.10.2012) http://www.eso.org/sci/facilities/paranal/telescopes/vlti/instruments/index. html (3. 11. 2012) http://www.eso.org/sci/facilities/paranal/telescopes/vlti/instruments/prima/ index.html (31.10.2012) http://www.eso.org/sci/facilities/paranal/telescopes/vlti/instruments/vinci/ vinci_data_sets.html (31.10.2012) http://www.nasa.gov/centers/kennedy/shuttleoperations/orbiters/discovery -info.html (01. 11. 2012) http://www.nrao.edu/whatisra/hist_jansky.shtml (31.10.2012) http://www.seeing1.de/bilder/astro/shema_newt.gif (3. 11. 2012) http://www.spitzer.caltech.edu/info/241-Lyman-Spitzer-Jr- (31.10.2012) http://www.uni-muenster.de/NiederlandeNet/nlwissen/bildungforschung/personen/huygens.html (28. 10. 2012) http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Yerkes-Sternwarte.html (3. 11. 2012) 20 Anhang 21 Bild 1: http://www.google.de/imgres?q=wilhelm+herschel+teleskop&um=1&hl=de&clie nt=safari&sa=N&rls=en&biw=1024&bih=806&tbm=isch&tbnid=vzifi6lgHuGW MM:&imgrefurl=http://astronomy.meta.org/monatlich/0702_monatsthema.html& docid=yyLINS28CXsm0M&imgurl=http://astronomy.meta.org/monatlich/0702_ monatsthema_k.jpg&w=948&h=1024&ei=4wZ3UPLADYXMswa4xYGYCw&zoom=1&ia ct=hc&vpx=96&vpy=289&dur=1794&hovh=233&hovw=216&tx=120&ty=80&s ig=112055916124364018475&page=1&tbnh=137&tbnw=127&start=0&ndsp=20 &ved=1t:429,r:5,s:0,i:87 Friedrich Wilhelm Herschels 40-Fuß-Teleskop aus dem Jahr 1789 22 Bild 2: http://farm1.staticflickr.com/77/191759890_8b3c4e9cd6.jpg Lord Rosses’ Leviathan aus dem Jahr 1847 23 Bild 3: http://www.eso.org/public/images/eso0906c/ ESO-Studie eines 100-Meter-Teleskops mit drei VLT-Hilfsteleskopen 24 Bild 4: http://www.eso.org/public/images/eso0020b/ Das VLT Interferometer Prinzip 25 Bild 5 : http://www.upv.es/antenas/Catalogo_fotos/radioastronomia/new_mexico3.htm Very Large Array, Socorro, New Mexico 26 Bild 6: http://hubblesite.org/gallery/spacecraft/10/ ( 1.11.2012) Das Hubbleteleskop beim Andocken während der Endeavor-Mission 1993 27 Bild 7: http://webbtelescope.org/webb_telescope/technology_at_the_extremes/graphics/fi g-4-webb-orbit-big.jpg (2. 11. 2012) Funktionsweise des James Webb Teleskops 28 Bild 8: http://www.jwst.nasa.gov/images2/labeledspacecraft.jpg (2.11.2012): Aufbau des James Webb Teleskops 29 Icherklärehiermit,dassichdieSeminararbeitohnefremdeHilfeangefertigt undnurdieimLiteraturverzeichnisangeführtenQuellenundHilfsmittelbe‐ nützthabe. …………………………..….... (UnterschriftdesSchülers) 30 Freigabezurnicht‐kommerziellenNutzung Bittezutreffendesankreuzen. IchgestattemeinemLehrerHerrnSchüttler,meineSeminarar‐ beitimW‐SeminarRaumfahrtamKurt‐Huber‐GymnasiumGrä‐ felfingzunicht‐kommerziellenZwecken,insbesonderealsozur LehreundalsAnschauungsbeispielzuverwenden.MeinName wird dabei nur auf meinen ausdrücklichen Wunsch hin ge‐ nannt. IchgestattedarüberhinausdieVeröffentlichungmeinerArbeit auf der Internetseite des DLR_School_Lab Oberpfaffenhofen (www.dlr.de/schoollab/oberpfaffenhofen) als best‐practice‐ Beispiel. SelbstverständlichhatdieseEntscheidungkeinerleiEinflussaufdieBewer‐ tungmeinerArbeit. _________________________________ ____________________________ Ort,Datum Unterschrift 31
