In neuem Licht: GEBURT und Tod der Sterne

Das Ableben des Sterns vollzog sich in aller Stille. Kaum jemand registrierte das Ereignis, das sich im Sternbild Cassiopeia abspielte, 11 000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Lediglich ein schwacher Sternenschimmer, den der englische Astronom John Flamsteed in seinen Himmelskatalog eintrug, war möglicherweise der Abglanz des Dramas. Das war im Jahr 1680. Es dauerte über zweieinhalb Jahrhunderte, bis Radioastronomen an der gleichen Himmelsstelle ein bemerkenswertes Objekt aufspürten: nach der Sonne die stärkste Radioquelle am Himmel. Sie erhielt den Namen „Cassiopeia A”. Heute weiß man, dass die Radiowellen von einem ausgedehnten Nebel ausgehen, der etwa 15 Lichtjahre groß ist – das Relikt einer Supernova-Explosion. Das grelle Aufleuchten, das normalerweise solche Explosionen spektakulär begleitetet, wurde bei Cassiopeia A wohl von Dunkelwolken gedämpft.

Viele astronomische Prozesse spielen sich im Verborgenen ab. Manche sind zu energiearm, das heißt zu kalt, um im sichtbaren Licht zu strahlen. Bei anderen – wie bei Cassiopeia A – ist der direkte Blick aufs Geschehen durch Staub verdeckt. Das Arsenal der Instrumente, mit denen Astronomen den Staubschleier lüften und die Vorgänge im kühlen Kosmos klären, nutzt elektromagnetische Wellen, die sich an das rote Licht anschließen: die Wärme- oder Infrarotstrahlung (IR). Für das menschliche Auge ist sie unsichtbar.

Wenn es auch im 17. Jahrhundert kaum Augenzeugen des Sternentods in der Cassiopeia gab, so künden doch bis heute Spuren von der damaligen Explosion. Bereits 2005 berichtete ein Forscherteam um Oliver Krause vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg über Beobachtungen von Staubwolken in der Nachbarschaft von Cassiopeia A. Die Astronomen waren durch IR-Bilder des NASA-Satelliten Spitzer auf seltsame Veränderungen gestoßen. „Die Staubwolken sind bis zu 300 Lichtjahre vom Überrest der Supernova entfernt. Auf zwei Spitzer-Bildern, die man im Abstand eines Jahres aufgenommen hatte, ließen sich deutlich Bewegungen in der Struktur der Staubwolken erkennen”, erinnert sich Oliver Krause.

ALLES NUR VORGETÄUSCHT

Doch die nähere Analyse erbrachte, dass die Bewegung nur vorgetäuscht war. Krauses Schlussfolgerung, für die auch jüngste Untersuchungen sprechen, lautet: „Was wir sehen ist, wie sich der Lichtblitz der Supernova-Explosion von 1680 im interstellaren Staub ausbreitet und dabei immer entferntere Staubregionen aufheizt. Der erwärmte Staub kühlt sich dann unter Emission von Infrarotstrahlung wieder ab. Dabei entsteht der Eindruck, dass sich der Staub bewegt.”

Die neuesten Resultate geben auch Aufschluss über den Vorgängerstern von Cassiopeia A: Ein gewichtiger Roter Überriese, der wohl die 20-fache Masse der Sonne hatte, hauchte dort sein Leben aus. Die Beobachtung im Infraroten hat sich in den vergangenen Jahrzehnten zu einem boomenden Zweig der Himmelsforschung entwickelt. Dabei mussten die Astronomen große Hindernisse überwinden, denn: Bis zum Erdboden gelangt kaum etwas von der kosmischen Wärmestrahlung. Hauptsächlich der Wasserdampf in der Luft sorgt dafür, dass viel davon verschluckt wird. Deshalb treibt es die Infrarotastronomen seit jeher hoch hinaus: auf die Gipfel der Berge, in hoch fliegende Düsenjets oder gleich ins Weltall. Die Entdeckung der Infrarotstrahlung datiert an die Schwelle zum 19. Jahrhundert. Sie gelang dem Naturforscher Friedrich William Herschel (1738 bis 1822). Geboren in Hannover, verbrachte er sein Leben hauptsächlich in England, wo er Fernrohre konstruierte.

JENSEITS DES ROTEN LICHTS

Als er mit einem Prisma im Jahr 1800 das Sonnenlicht in seine Einzelfarben zerlegte, war sein Name Zeitgenossen bereits ein Begriff, denn Herschel hatte den Planeten Uranus entdeckt. Mit dem Prisma glückte ihm ein neuer Fund: Jenseits des roten Lichts registrierte sein Thermometer einen markanten Temperaturanstieg – der Nachweis für „infrarote” Wärmestrahlung im Licht der Sonne. Das exotische Forschungsfeld kam anfangs nur schleppend voran. Dank der Arbeit des US-Astronomen William Coblentz kannte man Anfang des 20. Jahrhunderts immerhin über 100 Fixsterne, die IR-Strahlung aussenden. Im kalten Krieg der Fünfzigerjahre half dann die Militärtechnik der Wissenschaft: Mit neuen Wärmesensoren – ursprünglich zur Verfolgung feindlicher Flugkörper entwickelt – gelang ein Empfindlichkeitssprung. Nach Versuchen mit Höhenballons folgten 1967 erste Flüge mit Raketen, die vor ihrem Rücksturz zur Erde für einige Minuten nach IR-Quellen Ausschau hielten: Über 2000 Objekte wurden dingfest gemacht. Für den Durchbruch sorgten jedoch die Satellitenteleskope. So schnellte die Zahl der bekannten Infrarot-Objekte durch den US-Trabanten IRAS 1983 auf rund 300 000. Das momentan leistungsfähigste Infrarotteleskop im All ist das betagte Spitzer-Teleskop der NASA. Seit fünf Jahren im Einsatz, wird sein Vorrat an Kühlmittel bald zur Neige gehen.

Doch Ablösung naht. Eine Ariane-Rakete wird im kommenden Jahr das europäischen Herschel-Observatorium ins All schießen. Unterwegs muss Herschel durch den Van-Allen-Strahlungsgürtel der Erde, in dem das irdische Magnetfeld elektrische Teilchen der Sonne und der Kosmischen Strahlung eingefangen hat. Er wird aber bereits 1,5 Stunden nach dem Start durchquert sein. „Die wissenschaftlichen Messgeräte sind dabei abgeschaltet. Für den Satelliten selbst besteht keine Gefahr”, sagt Herschel-Projektleiter Thomas Passvogel. „Zu Beginn des Transfers ist Herschel ziemlich schnell: Die Mondbahn passiert das Observatorium nach nur zwei Tagen.”

Anders als das Hubble-Teleskop, das 589 Kilometer über dem Erdboden kreist, wird Herschel rund 1,5 Millionen Kilometer weit entfernt von der Erde stationiert – im sogenannten Lagrange-Punkt L2, wo sich die Anziehungskräfte von Erde und Sonne sowie die Fliehkräfte auf der Umlaufbahn die Waage halten. Der dreimonatige Flug dorthin wird für die ESA eine Premiere sein. „Es ist ein idealer Platz für Weltraumteleskope”, sagt Passvogel. „Erstens ist Herschel dort weit genug von Störquellen aus dem erdnahen Weltraum entfernt, allen voran von der Erde selbst. Zum Zweiten lassen sich in L2 viel mehr astronomische Objekte beobachten als auf niedrigeren Umlaufbahnen, wo wir beim Ausrichten des Satelliten viel stärker auf die störende IR-Strahlung der Erde Rücksicht nehmen müssten.” Für Herschel geben die Europäer rund eine Milliarde Euro aus. Das Teleskop trumpft vor allem mit seinem 3,5-Meter-Spiegel auf. Zum Vergleich: Spitzers Spiegeldurchmesser beträgt bloß 85 Zentimeter.

SCHARFE BILDER DURCH GROSSE SPIEGEL

„Das neue Teleskop wird die kosmischen Infrarot-Quellen deutlich schärfer abbilden”, betont Albrecht Poglitsch vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik bei München. Denn für Infrarotteleskope gilt die gleiche Regel wie für herkömmliche Fernrohre: Je größer der Spiegeldurchmesser, desto besser die Bildschärfe. Die Spiegel müssen, aufgrund der längeren Wellenlänge des Infrarots verglichen mit dem sichtbaren Licht, nicht einmal so extrem glatt geschliffen sein wie die optischer Teleskope.

Poglitsch ist verantwortlich für das PACS-Instrument, eines von drei wissenschaftlichen Geräten von Herschel. Er leitet das Konsortium aus 15 Instituten quer durch Europa, die sämtlich an der Entwicklung von PACS beteiligt waren. Das Kürzel steht für „ Photodetector Array Camera and Spectrometer” – das Instrument ist Spektrometer und Kamera zugleich. „Wir bekommen damit Bilder von Himmelsobjekten in bestimmten Infrarotwellenlängen, wobei jede für ein chemisches Element steht, etwa Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff”, sagt Poglitsch. „Da wir die physikalischen Prozesse kennen, die diese Elemente im Infraroten zum Leuchten bringen, können wir herausfinden, welcher Druck, welche Temperatur und welche chemische Zusammensetzung die jeweiligen Himmelskörper charakterisiert.”

Mit Herschel werden die Forscher erstmals in Wellenlängen beobachten, die sie tief in Molekülwolken blicken lassen – im langwelligen Fernen Infrarot. Aus dem Dunkel dieser kühlen Wolken dringt kein sichtbares Licht, das Infrarot aber kann sie mühelos durchqueren. Mit seiner Hilfe kann man Sternen und Planeten bei der Geburt zuschauen (siehe bild der wissenschaft 6/2008, „Aus Staub geboren”). „Es geht auch um die Kerne solcher Wolken – insbesondere die, aus denen sich später die Riesensterne bilden”, erläutert Oliver Krause aus Heidelberg ein Beobachtungsprojekt. Denn die Giganten sind recht seltene stellare Exemplare. Mit anderen Worten: Die meisten sind weit von uns entfernt. Um die Geburtsorte solch ferner Objekte zu studieren, braucht es nicht nur Instrumente, die im richtigen Wellenlängenbereich empfindlich sind, sondern auch ein Fernrohr, das viel Infrarotlicht sammelt – so wie Herschel, das selbst das Hubble-Teleskop mit seinem 2,4-Meter-Spiegel in den Schatten stellt. Bis weit ins kommende Jahrzehnt wird es das größte Weltraumteleskop sein.

Erdgebundene Beobachtungen spielen ebenfalls eine wichtige Rolle: Himmelsdurchmusterungen, bei denen große Areale systematisch fotografiert werden, haben bereits mehrere Hundertmillionen IR-Objekte aufgespürt. Besonders erfolgreich war der „Two Micron All Sky Survey”, der mit zwei automatischen Teleskopen den gesamten Himmel im nahen Infrarot erfasst hat.

roter überriese als nachbar

Und die Entdeckungen gehen weiter: Auf der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile, rund 2600 Meter über dem Meer, gelang kürzlich die „Nahaufnahme” eines Sterns in seinem letzten Entwicklungsstadium. Sie zeigt einen Roten Überriesen, der die Katalogbezeichnung WOH G64 bekommen hat. Beheimatet ist er in unserer Nachbargalaxie, der Großen Magellan’- schen Wolke, 160 000 Lichtjahre entfernt. Die Forscher griffen dabei zu einem optischen Trick: Durch die Kombination zweier ESO-Großteleskope wurde das Auflösungsvermögen eines virtuellen 60-Meter-Spiegels erreicht.

So gelang ein Porträt der Umgebung des betagten Sterngiganten – eine Premiere für ein Objekt außerhalb der Milchstraße. „Unsere Beobachtungen im Mittleren Infrarot, kombiniert mit Modellrechnungen, zeigen einen dicken Staubring zwischen 15 und 250 Sternradien von WOH G64 entfernt”, erklärt Keiichi Ohnaka vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Seine Beobachtungsresultate hat er mit den ESO-Kollegen vor wenigen Monaten in der Fachzeitschrift „Astronomy and Astrophysics” publiziert. Auf Spitzer-Fotos ist der gewaltige Ring mit rund einem Lichtjahr Durchmesser lediglich als Punkt zu erkennen. Der Riesenstern hat ein bewegtes Leben hinter sich. Anfänglich war er etwa 25-mal schwerer als unserer Sonne. Seit er jedoch in die Jahre gekommen war, blies er durch einen starken Sternenwind große Mengen Materie ins All. Bis zu 40 Prozent seiner Masse kamen ihm so abhanden. Die Rohstoffe für den Staub stammen überwiegend aus der Molekülwolke, die einst den Riesen gebar. Ohnaka vermutet: „Durch den Sternwind entsteht aus den Resten der Wolke der Ring aus Staub. Doch in unmittelbarer Nähe des Sterns ist es für die Staubpartikel zu heiß – sie verdampfen.” Das Schicksal von WOH G64 ist für den japanischen Forscher besiegelt: „Vielleicht schon in 1000, vielleicht erst in 10 000 Jahren wird er als Supernova enden.”

Wer selbst die höchsten Bergwipfel unter sich lässt, bekommt noch mehr Infrarotlicht vor die Linse. Die Idee, Fernrohre auf Flugzeugen zu stationieren, liegt deshalb nahe. Pionierarbeit leistete hier das amerikanische Kuiper-Airborne-Observatory (KAO). Vor gut drei Jahrzehnten machte es Schlagzeilen, als es in 14 Kilometer Höhe die Ringe um den Gasplaneten Uranus aufspürte. 1995 wurde es außer Dienst gestellt. Doch sein Nachfolger hat bereits erste Testflüge absolviert. Es ist das Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy (SOFIA). An Bord einer umgebauten Boeing 747 SP, einer kurzen Variante des Jumbojets, wird SOFIA 12 bis 15 Kilometer weit aufsteigen und dabei bis zu 99 Prozent des abschirmenden Wasserdampfs unter sich lassen.

FLUG MIT OFFENER LUKE

In dem ambitionierten Projekt kooperieren amerikanische und deutsche Wissenschaftler: Die NASA hat das Flugzeug gestellt und war für dessen Umbau zuständig. Die auffälligste Maßnahme: Hinter der linken Tragfläche wurde eine Öffnung in den Rumpf geschnitten, die sich mit einer Luke verschließen lässt. Während der Beobachtung wird diese geöffnet, und das Fernrohr blickt in den Himmel. In der Fernrohrbucht herrscht dann aufgrund der großen Höhe ein starker Unterdruck, ein Druckschott trennt das Teleskop von der restlichen Kabine mit der Flugzeugbesatzung.

Der deutsche Beitrag ist das Spiegelfernrohr. Es sammelt mit seinen 2,5 Metern Öffnung über siebenmal mehr Infrarotlicht als der Vorgänger KAO. Thomas Keilig vom Deutschen SOFIA-Institut in Stuttgart hat die Testflüge im Dezember 2007 begleitet. Er rechnet mit dem Start der wissenschaftlichen Beobachtungen im kommenden Jahr: „Zuvor muss das Flugzeug nachweisen, dass auch mit geöffneter Luke ein sicherer Flugbetrieb gewährleistet ist”, sagt der Ingenieur. „Erste Tests dazu sind zum Jahresende 2008 geplant.” Drei bis vier Nächte pro Woche wird „Clipper Lindbergh” , wie die die fliegende Sternwarte nach dem US-Luftfahrtpionier heißt, von Kalifornien aus zu Beobachtungsflügen abheben.

Aber schon heute schauen Forscher den Sternen in all ihren Lebensphasen zu – von der Wiege bis zur Bahre. In der ersten Reihe immer dabei: die Infrarot-Astronomen. SOFIA und Herschel werden ihnen neues Datenfutter liefern, und alle Teilgebiete der Astronomie könnten profitieren. „Die besten Ergebnisse sind heute noch gar nicht absehbar”, meint PACS-Projektleiter Albrecht Poglitsch, der sich auf das Unerwartete freut. „Solche Observatorien sind immer für Entdeckungen gut – und die bringen die Wissenschaft dann wirklich ein großes Stück voran.” ■

THORSTEN DAMBECK ist promovierter Physiker und Wissenschaftsautor in Heidelberg. Im September-Heft berichtete er über den Mars.

von Thorsten Dambeck