Wer vor 20 Jahren in der Astronomie forschte, musste meist einen großen Aufwand treiben und viel Zeit investieren, um Beobachtungsdaten zu bekommen, bevor er mit der Auswertung überhaupt beginnen konnte. Heute brauchen die Wissenschaftler dagegen oft gar keine Teleskopzeit zu beantragen – es genügt, wenn sie in den rasch wachsenden und frei zugänglichen internationalen Datenbanken stöbern.
Hans-Walter Rix, seit 1999 Direktor am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, gehört zu diesen Astronomen, die ihre Daten nicht selbst am Himmel sammeln, sondern sie sich aus großen Archiven besorgen, die von vollautomatisch betriebenen Fernrohren gefüttert werden. „Bei meiner ersten Beobachtungsnacht an der Sternwarte auf dem Kitt Peak habe ich sogar noch die Nachführung des Teleskops am Okular kontrollieren müssen”, erinnert sich Rix, der Ende der 1980er-Jahre in den USA promovierte. Nach der Beobachtung bereitete er die Rohdaten für die spätere Analyse auf. Die Daten der automatischen Teleskope dagegen, die Rix inzwischen nutzt, sind bereits vorverarbeitet und wurden oft Monate oder Jahre zuvor gewonnen. Ermöglicht hat dies die digitale Fotografie und der Fortschritt der Informationstechnologie.
Die Mutter aller Durchmusterungsteleskope ist der Sloan Digital Sky Survey (SDSS), zu dessen Gründungsmitgliedern auch das MPIA gehört. Der SDSS hat bereits rund ein Drittel des Nachthimmels in fünf verschiedenen optischen Wellenlängen systematisch beobachtet und mehr als 1,5 Millionen Galaxien- und Sternspektren aufgenommen. Seit er um die Jahrtausendwende mit seiner Arbeit begonnen hat, liefert er einen Datenstrom von fünf Megabyte pro Sekunde. Mehr als 2200 Veröffentlichungen sind inzwischen aus dieser Datenflut hervorgegangen.
SCHATZSUCHE IN DATENBANKEN
„Früher hat man als Astronom ein Himmelsobjekt beobachtet, um es besser zu verstehen oder um eine Hypothese zu testen”, sagt Rix. „Heute überlegt man oft, ob sich eine Fragestellung mit den Daten eines Survey bearbeiten lässt. Oder man überlegt sogar, welche bislang ungenutzten Informationen noch in den Survey-Daten stecken könnten.” Diese verborgenen Schätze versuchen die Wissenschaftler dann zu heben.
Ein Beispiel für ein unerwartetes Ergebnis, das in den SDSS-Daten schlummerte, war die Erkenntnis, dass unser Milchstraßensystem von Bändern aus Sternen umgeben ist – den Überresten kleiner Begleitgalaxien, die im Schwerefeld der Galaxis zerrissen wurden.
Der SDSS erwies sich unerwartet auch als Hilfsmittel, um Planetoiden zu klassifizieren: Weil die SDSS-Kamera in fünf verschiedenen Wellenlängen nacheinander dasselbe Himmelsareal fotografiert, tauchen die flinken Kleinplaneten nicht auf jedem Bild am selben Fleck auf, sondern stets an einer etwas anderen Stelle. Dadurch wurden Astronomen auf die Objekte aufmerksam, konnten deren Helligkeit bei verschiedenen Wellenlängen messen und sie bekannten Kleinplanetengruppen zuordnen. „Natürlich hat jeder Survey ein definiertes wissenschaftliches Ziel”, sagt Rix, „ vor allem, um die Technik spezifizieren und gegenüber den Geldgebern argumentieren zu können. Doch die spätere Ausbeute ist stets um ein Vielfaches höher und betrifft auch Fragestellungen, an die oft nicht einmal die Survey-Kollaboration selbst gedacht hat.”
Die Durchmusterungsdaten sind bereits nach einem Jahr für jeden zugänglich. In der klassischen Beobachtungspraxis gilt dagegen die Regel „meine Daten, mein Schatz”: Wenn überhaupt, dann geben Astronomen die Rohdaten erst Jahre später heraus, um ihren Informationsvorsprung zu wahren.
„Die Forschung wird durch Surveys demokratischer”, sagt Rix. Zum Beispiel gab es in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts durch die konkurrenzlosen Großteleskope in den USA dort ein Monopol auf Entdeckungen. „Heute dagegen kann ein einzelner Wissenschaftler mit Survey-Daten Ergebnisse von Weltklasse liefern”, sagt Matthias Steinmetz, wissenschaftlicher Vorstand des Leibniz-Instituts für Astrophysik in Potsdam.
1000 neue Supernovae pro Jahr
Viele aktuelle Fragestellungen lassen sich laut Steinmetz besonders gut mit Survey-Teleskopen bearbeiten, „weil sie alle auf kontinuierliche Weitwinkelaufnahmen angewiesen sind, die selbst Objekte tief im All abbilden können”. Dabei geht es um kosmologische Modelle, die Natur der Dunklen Materie und Dunklen Energie, die Anfänge des Universums, die Galaxienentwicklung, die Struktur des Milchstraßensystems, Objekte mit Lichtwechsel und Kleinplaneten.
Inzwischen haben ein Dutzend Surveys begonnen oder sind geplant. Der Catalina Sky Survey in Arizona zum Beispiel hat in den vergangenen sieben Jahren die Helligkeit von 198 Millionen Himmelsobjekten genau vermessen und dabei quasi als Abfallprodukt ungefähr so viele Objekte mit Lichtwechsel entdeckt, wie in der gesamten Forschungsgeschichte zuvor gefunden wurden. Und der 2010 auf Hawaii begonnene Survey Pan-STARRS, vom MPIA mitgegründet, soll die Zahl der bekannten Kuiper-Gürtel-Objekte im äußeren Sonnensystem verzwanzigfachen und viele veränderliche Sterne in nahen Galaxien aufspüren.
In Chile wird in ein paar Jahren das Large Synoptic Survey Telescope (LSST) mit der Forschung beginnen. Es soll jede Nacht etwa 30 Terabyte an Daten liefern – zehn Jahre lang. Was das für einzelne Objektklassen bedeutet, hat Kirk D. Borne von der George Mason University am Beispiel der Supernovae veranschaulicht: Derzeit entdecken Astronomen rund 100 solche Sternexplosionen im Jahr. Insgesamt sind bisher etwa 10 000 dokumentiert. Das LSST dürfte pro Nacht etwa 1000 neue Supernovae finden. Und das wird nur ein Bruchteil der Entdeckungen sein. Das LSST-Datenarchiv wird 10 000 Terabyte übersteigen.
Surveys sind keine Allzweckwaffe
So verwundert es nicht, dass Experten mit einer stärkeren Spezialisierung der Astronomen rechnen: Manche werden für die Hard- und Software der Teleskope zuständig sein, andere für die Aufbereitung der Rohdaten und wieder andere für die Forschung selbst. Hans-Walter Rix erwartet, dass sich zwei Communitys herausbilden werden: „Wissenschaftler, die Fragen an Surveys stellen, also Data Mining betreiben, und Wissenschaftler, denen die Daten der Surveys als Ausgangspunkt für Fragen und Folgebeobachtungen dienen.”
Natürlich werden manche Forscher weiter mit einem der vielen Großteleskope Rohdaten gewinnen, die dann nur ihnen zur Verfügung stehen. Und Survey-Teleskope sind auch keine Allzweckwaffe. „Der erste Planet außerhalb des Sonnensystems”, sagt Matthias Steinmetz, „wäre bei einem Survey nicht entdeckt worden, weil das Signal unter der Nachweisgrenze aller aktiven und geplanten Surveys liegt.” ■
von Michael Vogel
