Donnerstag, 19. November 2020, kurz vor Sonnenuntergang auf einem Berg in der Atacama-Wüste im Norden Chiles: Im Licht der letzten glutroten Strahlen öffnet sich eine riesige metallene Kuppel. Wie eine gigantische Käseglocke hat sie das OWL (Overwhelmingly Large Telescope) geschützt, das mit 100 Meter Durchmesser überwältigend große Teleskop. Sobald die Dämmerung vorbei ist, richten die Astronomen den aus über 3000 Segmenten zusammengesetzten Spiegel-Koloss auf Galaxien am Rand des beobachtbaren Weltalls, um ferne Supernovae im jungen Universum auszuspähen.

Zur selben Zeit auf einer Weide im Nordosten der Niederlande: Im Nieselregen glänzen knapp zwei Meter hohe vierseitige Pyramiden aus seltsamen Plastikrohren. Sie gehören zum Low Frequency Array (LOFAR). Mehr als 20 000 dieser Empfänger sind über ein Gebiet von rund 350 Kilometern verteilt und bilden so das größte Radioteleskop der Welt. Im Kontrollzentrum in Dwingeloo beobachten die Astronomen, wie sich die Gaswolken im erst 100 Millionen Jahre jungen All zu den frühesten Galaxien formten.

Eine absurde Geschichte tollkühner Fantasten? Mitnichten – was reichlich utopisch klingt, ist bereits in der Entwicklung oder sogar schon in Bau. Die Astronomie wird in den nächsten 15 Jahren eine technische Revolution erleben. Im Streben, immer schwächere Objekte im Kosmos auszumachen, immer tiefer ins All zu blicken, immer weiter zurück in der kosmischen Geschichte zu gehen und immer detaillierter die Vorgänge im Universum zu verfolgen, nehmen die Instrumente selbst bald buchstäblich astronomische Ausmaße an: Nach den exzellenten Erfahrungen mit den heutigen 8 bis 10 Meter großen Geräten werden die optischen Teleskope der nächsten Generation drei- bis zehnmal so groß sein – und die Radioastronomen freuen sich auf einen noch gewaltigeren Umbruch.

Das modernste optische Teleskop auf der Erde ist zur Zeit das Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO). Seit 2001 arbeiten alle vier Hauptteleskope auf dem Berg Paranal im Norden Chiles im Routine-Betrieb (bild der wissenschaft 11/2002, „Europa greift nach den Sternen”). Doch die Anlage ist noch lange nicht fertig. Die Krönung wird das regelmäßige Zusammenschalten der Teleskope sein, um noch mehr Details im Kosmos zu erspähen. Bei dieser „Interferometrie” blicken zwei oder mehr Teleskope gleichzeitig auf dasselbe Objekt. Die kombinierten Fernrohre sind dadurch so scharfsichtig wie ein einziges riesiges Teleskop, das so groß ist wie der Abstand der beteiligten Teleskope. Die vier 8,2- Meter-Spiegelteleskope sind verschiebbar und stehen maximal 130 Meter voneinander entfernt. Außerdem wurde auf Paranal bereits ein „Hilfsteleskop” von 1,8 Meter Durchmesser aufgestellt, drei weitere werden bis 2006 folgen.

Nahe Sterne erscheinen im VLT bereits als kleine Scheibchen, nicht mehr als Punkte. Die Astronomen haben es vor allem auf Staubscheiben um junge Sterne abgesehen. Womöglich gelingt mit Hilfe der Interferometrie in einigen Jahren das erste direkte Bild eines Planeten, der einen fremden Stern umkreist.

So spektakulär die Interferometrie bei bestimmten Objekten auch ist – für die großflächige Beobachtung von Galaxien, Sternhaufen, Nebeln und dergleichen sind Einzelteleskope besser geeignet. Doch Teleskope auf der Erde haben ein Problem: Die wabernde Lufthülle über ihnen lässt die Himmelsobjekte verschwommen erscheinen. Die durch die Luftunruhe verbogenen Lichtstrahlen sind den Himmelsforschern ebenso verhasst wie dicke Wolken. Doch während es gegen Wolken kein Mittel gibt, hilft gegen Luftunruhe die „adaptive Optik”, die durch folgenden Trick funktioniert:

Das Teleskop leitet einen Teil des einfallenden Sternenlichts auf einen Extradetektor. Computer analysieren sofort die Bildverschmierung und geben diese Daten an einen kleinen Korrekturspiegel im Strahlengang weiter, der extrem leicht zu verformen ist und das verbogene Sternbildchen wieder perfekt scharf macht – und das bis zu 1000-mal pro Sekunde.

Doch die Sache hat einen Haken: Adaptive Optik korrigiert lediglich einen winzigen Teil des Blickfelds. Nur in diesem Bereich sieht ein 8,2-Meter-Teleskop in Chile schärfer als das mit 2,4 Metern Durchmesser vergleichsweise kleine Hubble-Weltraumteleskop. Allerdings ist bei Hubble das ganze Blickfeld perfekt scharf – weshalb im Schnitt die Bilder aus dem All besser als irdische Himmelsaufnahmen sind.

Es gibt noch einen zweiten Haken: Bisher braucht die adaptive Optik für die Bildanalyse einen recht hellen Stern dicht neben dem zu beobachtenden Objekt. Doch solche Sterne sind am Himmel recht selten. Daher sind bisher nur etwa zwei Prozent der Himmelsfläche zugänglich.

„Bald gibt es adaptive Optik am ganzen Himmel”, freut sich Domenico Bonaccini, Optikingenieur bei der ESO. „Wir setzen auf das Teleskop einfach einen Scheinwerfer. Ähnlich wie man in einem Bergwerk eine Grubenlampe am Kopf hat: Wo immer man hin sieht, hat man dieses Licht vor sich. Genauso machen wir das mit dem VLT: Wir schaffen einen künstlichen Stern im Blickfeld. Es gibt zwar viele Milliarden Sterne am Himmel – aber wir brauchen einen mehr.”

Ein Scheinwerfer auf einem Teleskop? Domenico Bonnacini installiert auf dem Teleskop keineswegs ein Flutlicht, das den Berg taghell ausleuchtet. Sein Scheinwerfer ist High-Tech vom Feinsten: „Wir machen das mit einem starken Laser, dessen Licht in 90 Kilometer Höhe Natrium in der Atmosphäre zum Leuchten anregt. Der Laser produziert also einen künstlichen Stern und wir nutzen dann die Strahlung der angeregten Natrium-Atome, um zu sehen, wie sehr die Atmosphäre das Bild dieses künstlichen Sterns stört. Das korrigieren wir dann entsprechend mit der adaptiven Optik.” Anfang 2005 soll dieser „Laser-Leit-Stern” am VLT in Chile erzeugt werden können.

Ein Teleskop ist immer nur so gut wie die Ingenieure, die es entwickeln und betreiben, und wie die Astronomen, die mit ihm arbeiten – und so gut wie die Instrumente, die dort zum Einsatz kommen. Für die adaptive Optik nutzt die ESO seit kurzem SINFONI (Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared): Diese Kamera liefert ein geradezu himmlisches Beobachtungskonzert. Sie verfügt nur über rund 1000 Bildpunkte – das ist nicht viel, verglichen mit herkömmlichen Digitalkameras. Aber SINFONI zerlegt in jedem Bildpunkt das Licht in seine Farben – bei einer einzigen Beobachtung fallen also über 1000 Spektren gleichzeitig an. Damit sehen die Astronomen nicht nur, dass ein Objekt leuchtet – die Spektren verraten zudem sofort, was dort leuchtet und wie es sich bewegt. So zeigt SINFONI, wie Materie um das Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie kreist oder wie ein Mond den Planetoiden Kalliope umrundet. Da es zu der flächigen Bildinformation noch diese zusätzlichen Spektraldaten gibt, sprechen die Astronomen von dreidimensionaler Himmelsbeobachtung.

Egal wie empfindlich die Detektoren oder wie groß die Spiegelteleskope auch werden: Optischen Teleskopen sind im All natürliche Grenzen gesetzt. Zum Beispiel sind große, kalte Wolken von Wasserstoffgas oder extrem staubreiche Galaxien nur mit Radioteleskopen zu sehen. Für Objekte, die sich bisher den Blicken der Astronomen entzogen haben, setzen die Forscher auf LOFAR. Das wird ein Radioteleskop ganz neuer Bauart sein – keine Satellitenschüssel mehr, sondern ein großes Netz aus Empfängern, die über ganz Mitteleuropa verteilt sein werden. Die über 20 000 Einzelantennen von LOFAR wandeln die einfallenden Radiowellen aus dem All in ein elektronisches Signal um, das mittels extrem schneller Datenleitungen ins Kontrollzentrum übermittelt wird.

Die Empfänger stehen fest, werden also nicht auf ein bestimmtes Objekt ausgerichtet. Erst bei der Analyse wird die Blickrichtung der riesigen Anlage festgelegt – und zwar über eine Zeitverzögerung der Signale: Kommt eine Radiowelle aus Richtung Nordosten, so wird sie zuerst die Detektoren nahe Bremerhaven erreichen, einen Sekundenbruchteil später die im Emsland, dann die in den Niederlanden. Werden die von den Antennen empfangenen Signale entsprechend verzögert, so lassen sich Bilder der beobachteten Objekte gewinnen. Die „Optik” steckt also in der Software – LOFAR wird sozusagen das erste digitale Teleskop sein. Diese Technik eröffnet sagenhafte Möglichkeiten: LOFAR wird mit dem geplanten Großrechner in acht Richtungen gleichzeitig blicken können.

„Wir wollen zu den Anfängen des Universums schauen”, erklärt Heino Falcke begeistert. „Es gibt da eine Zeitspanne, die wir bisher noch nicht untersucht haben. Das ist die Epoche der Reionisation: Irgendwann nach dem Urknall haben sich die allerersten Sterne gebildet. Das waren die ersten Objekte im All, die selber geleuchtet haben – sie produzierten Strahlung, die wir jetzt erstmals mit dem LOFAR-Teleskop entdecken können.” Der Astronom an der Universität Nijmegen klopft auf eine Pyramide aus Plastikrohren. Sie trägt einen Empfänger und gehört zur Testanlage, die derzeit nahe der niederländisch-deutschen Grenze gebaut wird – 2006 ist die erste Stufe fertig, 2010 soll die komplette Anlage in Betrieb sein.

Die Forscher brauchen viele und weit voneinander entfernte Antennen, damit LOFAR empfindlich genug ist und eine ausreichende Auflösung hat. Sie rechnen damit, etwa 100 Millionen neue Radioquellen am Himmel zu entdecken. Das Aufwendige an LOFAR sind nicht die Detektoren, sondern die Rechner zur Datenauswertung. Denn die enorme Datenmenge, die in jeder Sekunde anfällt, erfordert eine schnelle und clevere Bearbeitung. LOFAR ist damit für die Astronomen so etwas wie ein guter Wein: Normale Teleskope werden mit der Zeit immer schlechter, doch LOFAR wird mit der Zeit immer besser – vorausgesetzt, man erneuert die Rechner.

Doch solch paradiesische Zustände gibt es nur in der Radioastronomie. Wer im Bereich der optischen Astronomie weiter und besser ins All blicken will, muss ein neues Instrument bauen (bild der wissenschaft 1/2000, „Superteleskope für übermorgen”). Fast ein halbes Jahrhundert lang war das legendäre 5-Meter-Teleskop auf dem Mount Palomar in Kalifornien das Maß aller Dinge. Dagegen werden das VLT und die anderen acht bis zehn Meter großen Telskope schon in etwa zehn Jahren ihre führende Stellung verlieren, glaubt Rolf-Peter Kudritzki. Der aus Berlin stammende Astronom ist Direktor am renommierten Institut für Astronomie der University of Hawaii. „In den Vereinigten Staaten existieren konkrete Pläne, demnächst ein 30- Meter-Teleskop zu bauen. Es gibt Ingenieurstudien, die auch schon getestet sind. Die Finanzierung ist allmählich gesichert.”

Der 30 Meter große Teleskopspiegel wird dann nicht aus einem Stück bestehen, sondern aus gut 1000 Segmenten von jeweils etwa einem Meter Größe. Die Teile liegen auf einer Art riesigem Stempelkissen, das sie stets präzise ausrichtet. Eine solche Technik ist schon bei heutigen Teleskopen Standard. Doch die adaptive Optik für derart riesige Spiegel nutzbar zu machen, ist eine große technische Herausforderung.

Lohn der Mühe wären für die Astronomen einzigartige Blicke in die Tiefen des Universums. Denn je größer ein Teleskop ist, desto schwächere Objekte zeigt es und desto schärfer lassen sich die Himmelsobjekte beobachten. Kudritzki: „Eines der spektakulärsten Projekte ist der Versuch, Planeten, die um andere Sterne kreisen, direkt zu sehen. Vielleicht können wir sogar Spektren ihres Lichtes aufnehmen. Damit könnte man ihre chemische Zusammensetzung und ihre physikalischen Eigenschaften bestimmen.”

Mit einem 30-Meter-Teleskop wären die Astronomen in der Lage, unseren kosmischen Nachbarn gleichsam durchs Fenster zu gucken. Zweites Hauptthema werden die ganz großen und ganz weit entfernten Objekte im Kosmos sein, meint Rolf-Peter Kudritzki: „ Man wird untersuchen, wie sich die Galaxien und Galaxienhaufen im Universum entwickeln. Es gibt gute Theorien, die beschreiben, wie das vor sich gehen müsste, aber bis heute ist nichts davon beobachtet worden. Mit einem solchen Riesenteleskop könnte man erstmalig ganz weit zurück in die Frühphase des Universums schauen und viele der ersten Galaxien sehen, die sich bald nach dem Urknall gebildet haben.”

Auch die Europäer planen weit über das VLT hinaus. Derzeit entsteht auf einer Hochebene in den Anden ALMA, das Atacama Large Millimeter Array. ALMA ist ein Verbund aus 64 Antennen von jeweils 12 Meter Größe. Dieses Instrumentennetz ist bei einer Beteiligung von Europa, den USA und vielleicht auch bald Japan das erste wirklich globale Teleskop-Projekt. Es wird im Spektralbereich des nahen Infrarots in dichte Staubwolken blicken und so die Geburt von Sternen und Planeten beobachten können. Außerdem wird es tief ins All spähen, um die frühen, sehr staubreichen Galaxien im Universum aufzuspüren. 2009 soll die Anlage komplett sein.

Was kommt danach? Die Europäer setzen auf eine „kosmische Eule” : „Wir planen ein Spiegelteleskop von 100 Meter Durchmesser. Es wird so groß wie ein Fußballfeld sein und zehnmal so viel Licht sammeln wie alle Teleskope zusammen, die je gebaut wurden”, schwärmt Roberto Gilmozzi, bei der ESO Leiter der Projektgruppe des 100-Meter-Teleskops OWL. Der Name steht für Overwhelmingly Large Telescope, die Abkürzung ist das englische Wort für Eule. Gilmozzi ist im Hauptberuf Direktor des Paranal-Observatoriums. Sind die jetzt angestrebten Dimensionen nicht völlig illusorisch? Wird ein Teleskop, dessen Spiegelfläche 100-mal größer ist als die eines heutigen Spitzenteleskops, nicht auch 100-mal teurer sein? „Zum Glück nicht”, sagt Roberto Gilmozzi lachend. „Der Teleskopspiegel wird aus vielen identischen Teilen bestehen – diese Massenproduktion senkt den Preis drastisch. Mit herkömmlicher Teleskoptechnik würde so ein Projekt 20 Milliarden Euro kosten – das wäre völlig unmöglich. Die identischen Teile sind wissenschaftlich zwar etwas ungünstiger, aber so kommen wir auf einen Preis von unter einer Milliarde Euro.”

Das ist immer noch sehr viel Geld – aber deutlich weniger, als Weltraummissionen wie das Hubble-Teleskop kosten. Zudem verteilt sich die Summe über eine Bauzeit von 15 Jahren. Nicht zu vergessen, dass das VLT bei seiner Konzeption Mitte der achtziger Jahre als abstruser Größenwahn galt – doch diese Utopie von einst liefert heute Nacht für Nacht exzellente Daten. Roberto Gilmozzi, ein besonders umtriebiger Astronom, der schon für seine Doktorarbeit den Detektor selber gebaut hat, setzt darauf, ab etwa dem Jahr 2020 das größte, jemals konstruierte Teleskop in den Weltraum blicken zu lassen: „Let’s build it!” ■

DIRK LORENZEN ist Wissenschaftsjournalist in Hamburg und Autor mehrerer Astronomie-Bücher.

Dirk Lorenzen