Astronomen heben ab

Der Clipper Lindbergh ist mit seinen 35 Jahren schon recht betagt. Doch wenn der frisch lackierte Jumbo-Jet in der Abendsonne auf dem Rollfeld der Dryden Aircraft Operations Facility im kalifornischen Palmdale glänzt, sieht er aus, als käme er gerade erst aus der Fabrik. Tatsächlich ist das Flugzeug generalüberholt und so gewissenhaft gewartet wie kaum eine andere Maschine dieses Typs. Es ist das weltweit einzige Flugzeug-Observatorium: SOFIA (Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie) ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA und des Deutsches Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), bei dem sich die Partner sämtliche Kosten im Verhältnis vier zu eins teilen.

Dass SOFIA der Forschung dient, ist im Inneren der Maschine unverkennbar: Fast alle Sitze wurden entfernt, lediglich im vorderen Bereich der ersten Klasse stehen noch ein paar. Kabel ziehen sich über den Boden, die Wandverschalung fehlt in einigen Bereichen. Das wissenschaftliche Herz des Flugzeugs sitzt im hinteren Teil: ein Spiegelteleskop, das durch eine scheunentorgroße Öffnung aus dem Rumpf herausschauen kann.

Da die Beobachtungen in rund 13 Kilometer Höhe bei Temperaturen um minus 60 Grad Celsius und einem Luftdruck von weniger als einer Fünftel Atmosphäre stattfinden, muss der Teleskopraum vom Rest des Flugzeugs, wo die Astronomen sitzen, abgetrennt sein. Diese technische Herausforderung meisterten die Firmen MAN und Kayser-Threde. „Sie haben das Teleskop wie eine waagerecht im Flugzeug liegende Hantel gebaut”, sagt Dietmar Lilienthal vom DLR, der das Projekt über Jahre hinweg begleitet hat. Am einen Ende hängt der Sammelspiegel mit einem Durchmesser von 2,70 Metern. Von ihm gelangt das Licht über zwei kleinere Spiegel in eine Kamera oder ein Spektrometer am anderen Hantel-Ende. Die Mitte der Hantel liegt genau in einem Druckschott, das den vorderen Teil der Maschine von dem hinteren, offenen Teleskopraum abtrennt. Das wissenschaftliche Instrument befindet sich in der Passagierkabine und ist somit jederzeit für die Astronomen zugänglich – ein großer Vorteil, falls einmal etwas optimiert oder repariert werden sollte. Das Schott ist an den Außenwänden des Flugzeugs mit Stoßdämpfern befestigt, so dass sich Schwankungen des Flugzeugs nicht auf das Teleskop übertragen. Das Spiegelfernrohr wiegt rund 17 Tonnen. Deswegen sind zum Gewichtsausgleich im vorderen Teil des Flugzeugs mehrere Stahlplatten am Boden festgeschraubt.

SOFIA flog bereits im Mai letzten Jahres erstmals mit einer Infrarotkamera eines amerikanischen Astronomenteams. Dabei gelangen ihr Aufnahmen vom Planeten Jupiter und von M 82, einer aktiven Galaxie. Jetzt, Mitte April 2011, befindet sich eine deutsche Forschergruppe an Bord, um ihr rund 500 Kilogramm schweres Spektrometer GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) zum ersten Mal einzusetzen.

Kurz vor dem Start herrscht im Innern von SOFIA geschäftiges Treiben. GREAT wird zur Kühlung mit flüssigem Stickstoff befüllt. Denn das Gerät ist für den Spektralbereich des fernen Infrarot ausgelegt, und die Wärmestrahlung von ungekühlten Bauteilen würde den Detektor blenden. An mehreren Bildschirmen kontrolliert das siebenköpfige Team um Rolf Güsten vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Jürgen Stutzki von der Universität Köln den Vorgang. Unter der Leitung der Wissenschaftler ist das hochempfindliche Instrument entstanden. An weiteren Bildschirmen werden später Ingenieure die Funktion des Teleskops überwachen.

RIESENLOCH IM HECK

Rund zwei Dutzend Menschen drängen sich an Bord, als SOFIA gegen 20 Uhr Ortszeit abhebt. Noch ist das Rolltor im Heck geschlossen. Als der Pilot es in 5000 Meter Höhe öffnet, merkt man davon nichts. Selbst der Pilot nimmt nur über eine elektronische Anzeige Kenntnis von der Öffnung. SOFIA fliegt weiter, als gäbe es dieses große Loch im Heck gar nicht.

Was heute so problemlos funktioniert, hat noch vor wenigen Jahren Flugzeugingenieure zur Verzweiflung gebracht. Dabei hatten sie sich das anfangs ganz einfach vorgestellt. Denn seit 1974 betrieb die NASA einen kleineren Vorläufer von SOFIA, das Kuiper Airborne Observatory (KAO). Das war ein Jet vom Typ Lockheed C-141 mit einem 90-Zentimeter-Teleskop. Innerhalb von fünf Jahren hatte die NASA das Flugzeug umgebaut und den Astronomen zur Verfügung gestellt. Als der Wunsch nach einem größeren Teleskop aufkam, dachten die Ingenieure, das KAO-Konzept ließe sich einfach um das Dreifache hochskalieren. Ein Irrtum, wie sich herausstellte.

Mitte der 1990er-Jahre entschied sich die NASA für den Kauf einer Boeing 747SP. Das ist eine um 15 Meter verkürzte Version des „normalen”, schon mehr als 1400 Mal ausgelieferten Jumbo Jets. Die 747SP ist nur 45 Mal gebaut worden. Ihr großes Plus: Wegen ihres geringeren Gewichts besitzt sie eine größere Reichweite. Dadurch ließ sich die Forderung der Astronomen nach besonders langen Beobachtungsflügen erfüllen. Den Bau des größtmöglichen Teleskops übernahmen die deutschen Partner.

TÖDLICHE VIBRATIONEN

Doch als es daran ging, ein vier mal sechs Meter großes Loch in den Rumpf zu schneiden, begannen die Probleme. Die liegen auf der Hand: Wenn man in einem Auto bei hoher Geschwindigkeit ein Fenster öffnet, kann es zu einem heftigen rhythmischen Bullern kommen. Das Auto wirkt dann wie eine Orgelpfeife, die zum Schwingen gebracht wird. Wenn das in einem Jumbo-Jet bei 900 Kilometer pro Stunde geschieht, können die heftigen akustischen Vibrationen den Rumpf binnen Minuten zerstören. Die Techniker mussten also erreichen, dass die Luft sanft die Öffnung umströmt, und nicht turbulent in den Teleskopraum eindringt. „Wir wollten keine Orgelpfeife mit den Ausmaßen einer 747″, sagt Nans Kunz vom Ames Research Center der NASA.

Langwierige Versuche im Windkanal und Computersimulationen führten zu dem größten Umbau, der jemals an einem zivilen Flugzeug vorgenommen wurde. Das Heck erwies sich als beste Position für die Öffnung, weil im Frontbereich der höchste Luftdruck herrscht. Weitere Versteifungen des Flugzeuggerüsts waren nötig, und Leitungen, die durch das Heck zum Höhen- und Seitenruder laufen, mussten verlegt werden.

SPOILER-TEST MIT BINDFÄDEN

Um die Flugverhältnisse mit geöffnetem Teleskoptor zu untersuchen, kaufte die NASA die Seitenwand einer weiteren Boeing 747SP, um an ihr bauliche Veränderungen vorab zu testen. Mittlerweile stiegen die Kosten immer weiter. Mit rund einer Milliarde Dollar hatten sie das 1997 veranschlagte Budget bereits um das Dreifache überschritten. „2002 stand das Projekt wegen der technischen und finanziellen Probleme praktisch vor dem Aus”, sagt Lilienthal. Nur dem Drängen der Astronomen und des DLR, das das Teleskop schon geliefert hatte, ist es zu verdanken, dass SOFIA doch noch fertig wurde. Die Lösung des Strömungsproblems war letztlich eine Verdickung der Außenwand links und rechts vom Tor. Dieser „Spoiler” lenkt die Luftströmung so um die Öffnung herum, dass es nicht zu den befürchteten Turbulenzen kommt. Bei den ersten Testflügen überwachten über 1000 Sensoren das Verhalten von Flugzeug und Teleskop. Bindfäden rund um das Tor zeigten die Strömungsverhältnisse an.

Nach dem Start fliegt SOFIA ruhig und sicher. In etwa zwölf Kilometer Höhe beginnen die Beobachtungen der deutschen Astronomen. Zu Beginn steht ein einfacher Testlauf auf dem Programm. Ziel ist ein sehr helles Objekt – Saturn. Die Planung eines Beobachtungsflugs ist eine komplizierte logistische Angelegenheit. Da das Teleskop nach links aus dem Rumpf herausschaut, muss das Flugzeug genau auf Kurs gebracht werden, damit der ausgewählte Himmelskörper auch im Blickfeld liegt. Das Teleskop lässt sich in der Horizontalen nur um 6 Grad bewegen, in der Vertikalen sind es immerhin 50 Grad. Gleichzeitig muss die Flugroute so bestimmt werden, dass SOFIA nach etwa zehn Stunden wieder in Palmdale landet. Vor dem Start muss deswegen ein exakter Plan vorliegen, nach dem sich der Pilot richtet.

Auch die Positionierung des Teleskops ist trickreich. Ein Observatorium auf einem Berg wird einmal ausgerichtet. Dann kann man in den Steuerrechner die gewünschten Himmelskoordinaten eingeben, und das Teleskop fährt zielsicher dorthin. Doch SOFIA ändert seine Ausrichtung immer wieder. Deshalb erhält der Bordrechner laufend die mit GPS ermittelten Positionsdaten des Flugzeugs und errechnet daraus die aktuelle Ausrichtung des Teleskops auf die Himmelskoordinaten.

Weiter geht’s zur Explosionswolke

Es funktioniert: Das Teleskop hat Saturn zielsicher angesteuert. Nach 73 Minuten fliegt der Pilot eine Rechtskurve und wird nun 52 Minuten lang nach Norden streben. In dieser Zeit wollen die Astronomen mit GREAT die Wolke eines 5000 Lichtjahre fernen explodierten Sterns mit der Bezeichnung IC 443 studieren. Man weiß seit Längerem, dass in jenen Bereichen, in denen das abgesprengte Gas mit hoher Geschwindigkeit mit dem interstellaren Gas in der Umgebung kollidiert, vielfältige chemische Reaktionen ablaufen. Dabei entstehen unter anderem Wassermoleküle. Geplant ist nun, in einem solchen Gebiet OH-Moleküle nachzuweisen, die mit Wasserstoff zu Wasser reagieren können.

Gleichzeitig wollen die Astronomen Kohlenmonoxid (CO) aufspüren. Dieses in den Gaswolken im All häufige Molekül dient ihnen als eine Art kosmisches Thermometer. Das funktioniert so: In der Gaswolke stoßen die Moleküle häufig zusammen, wobei sie in Rotation versetzt werden. Wenn sich eines der schnell drehenden Moleküle spontan verlangsamt, sendet es Infrarotstrahlung einer bestimmten Wellenlänge aus. Je heißer das Gas ist, desto schneller rotieren die Moleküle und desto kürzer ist die ausgesandte Wellenlänge. Somit können die Astronomen aus der Stärke von Spektrallinien bei verschiedenen Wellenlängen die Gas-Temperatur errechnen.

GREAT ist also keine Kamera, die beeindruckende Himmelsaufnahmen schießt wie das Weltraumteleskop Hubble, sondern ein Spektrometer, das die Infrarotstrahlung in seine Spektralanteile zerlegt. Auf diese Weise lassen sich nicht nur chemische Verbindungen nachweisen und Temperaturen messen, sondern beispielsweise auch Gasdichten und Geschwindigkeiten ermitteln. Das macht GREAT nicht im sichtbaren Licht, sondern im fernen Infrarot bei Wellenlängen zwischen 60 und 220 Mikrometern. „Vom Erdboden aus ist das unmöglich, weil der Wasserdampf in der Atmosphäre diese Strahlung völlig verschluckt”, erklärt Güsten. In der maximal möglichen Flughöhe von 13,5 Kilometern hat man mehr als 99 Prozent des Wasserdampfs unter sich gelassen. SOFIA bietet deswegen fast so gute Beobachtungsbedingungen wie ein Weltraumteleskop. Und es hat einen entscheidenden Vorteil: „Wir können immer mit den neuesten Instrumenten beobachten, während die Technik in einem Weltraumteleskop schon bei dessen Start fünf bis zehn Jahre alt ist”, sagt Stutzki.

Mittlerweile ist die Beobachtung des CO-Gases in IC 443 gelungen. Das Spektrum belegt, dass sich das Gas dort mit hohen Geschwindigkeiten bis zu 40 Kilometer pro Sekunde bewegt und mehrere Hundert Grad heiß ist. Das Signal von OH erweist sich hingegen als sehr schwach. Die Forscher würden gerne noch länger beobachten, doch SOFIA muss nach Osten schwenken.

BABY-STERNE IM VISIER

Nun bleiben 71 Minuten für Cepheus B. Das ist eine 2400 Lichtjahre ferne Wolke aus Gas und Staub, in der Hunderte von neuen Sonnen entstehen. Frühere Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Sterne in den Außenbereichen mehrere Millionen Jahre alt sind, während diejenigen im Innern vor nicht einmal einer Million Jahren entstanden sind. Einige Astronomen haben den Verdacht, dass außen gelegene massereiche Sterne mit ihrer intensiven UV-Strahlung das Gas im Innern der Wolke gewissermaßen zusammendrücken und damit die Sternbildung anregen. Nun wollen die Astronomen um Jürgen Stutzki eine Karte von Cepheus B erstellen, auf der man die Verteilung von Kohlenstoff und Kohlenmonoxid erkennt. Das erfordert eine aufwendige Technik. GREAT kann nämlich nur jeweils an einer Position ein Spektrum messen. Deshalb soll das Instrument Cepheus B an 216 Punkten abrastern. Die Karte ist rasch fertiggestellt. Dann folgt ein Schwenk nach Süden, der den Astronomen den Blick auf die Spiralgalaxie M 82 und den jungen Stern S106 ermöglicht. Um 2.30 Uhr biegt SOFIA nach Westen auf die Zielgerade ein.

Den Astronomen stehen noch knapp vier Stunden für die Beobachtung des Galaktischen Zentrums zur Verfügung. Nach derzeitigem Wissen verbirgt sich dort hinter Staubwolken ein Schwarzes Loch, das rund vier Millionen Mal so schwer ist wie unsere Sonne. In einem Umkreis von wenigen Lichtjahren wird es von mehreren Hundert jungen Sternen umkreist. Sie sind vermutlich vor einigen Millionen Jahren etwa gleichzeitig entstanden. Das erstaunt die Forscher sehr, weil die hohe Temperatur des Gases eine Sternentstehung eigentlich behindern sollte. Fünf Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt beginnt außerdem eine Scheibe aus Gas und Staub, in der möglicherweise in Zukunft Sterne entstehen werden. Rolf Güsten und seine Kollegen haben dieses Gebiet bereits in anderen Wellenlängenbereichen mit dem Weltraumteleskop Herschel und dem Radioteleskop APEX in den chilenischen Anden beobachtet. „Die Kombination aller Daten liefert ein umfassendes Bild der physikalischen Bedingungen in dieser Scheibe”, sagt Güsten. Mit GREAT wollen die Astronomen speziell zwei CO-Emissionen vom inneren Rand der Scheibe vermessen. Das soll die Frage beantworten, wie stark das zentrale Schwarze Loch und die massereichen jungen Sterne die Scheibe aufheizen.

Es klappt auf Anhieb: Die Spektren zeigen, dass sich der Nordrand der Gasscheibe mit etwa 100 Kilometern pro Sekunde von der Erde entfernt, während der südliche Teil mit derselben Geschwindigkeit auf die Erde zukommt. Interessanterweise ist die Emission im nördlichen Teil schwächer als im südlichen. Ob die Ursache hierfür eine niedrigere Temperatur oder eine geringere Gasdichte ist, muss ein Vergleich mit anderen Beobachtungsdaten zeigen.

Als SOFIA kurz vor sechs Uhr in Palmdale landet, ist die Stimmung gut. Die Datenausbeute ist hervorragend. Bis 2014 werden den Astronomen in aller Welt neben GREAT noch sechs weitere Instrumente zur Verfügung stehen. Betrieben wird SOFIA wie ein gewöhnliches Observatorium: Astronomen stellen Beobachtungsanträge und eine Kommission entscheidet. In Deutschland koordiniert das SOFIA-Institut an der Universität Stuttgart das Projekt. Zum Tag der Luft- und Raumfahrt des DLR am 18. September wird SOFIA übrigens einen Abstecher nach Deutschland machen und in Köln-Porz zu sehen sein.

PERFEKTES TIMING

SOFIA kommt den Infrarotspezialisten gerade zur rechten Zeit. Dem Weltraumteleskop Herschel wird nämlich im nächsten Jahr das Kühlmittel Helium ausgehen, sodass es seinen Betrieb einstellen muss. Und der ebenfalls für den Infrarotbereich vorgesehene Hubble-Nachfolger, das James Webb Space Telescope, wird frühestens 2018 starten. SOFIA aber wird die nächsten 20 Jahre an über 100 Nächten pro Jahr fliegen. Dann ist Clipper Lindbergh 55 Jahre alt. Ein Nachfolger ist derzeit nicht in Sicht. Der Gedanke an einen noch größeren Airbus A380 dürfte den Flugzeugingenieuren den Schweiß auf die Stirn treiben. ■

bdw-Autor THOMAS BÜHRKE hatte weltweit als erster Journalist die Möglichkeit, Astronomen bei einem SOFIA-Forschungsflug zu begleiten.

von Thomas Bührke