Seit mehr als sechseinhalb Jahren umkreist der deutsche Röntgensatellit ROSAT die Erde. Ursprünglich nur für eine Betriebszeit von etwa zwei Jahren ausgelegt, hat er inzwischen das Drei- bis Vierfache seines Pensums erfüllt und unser Wissen über den “unsichtbaren Himmel” entscheidend erweitert.
Schon während des ersten halben Jahres konnte ROSAT bei einer umfassenden Durchmusterung die Zahl der bekannten Röntgenquellen von rund 5000 auf weit über 50000 steigern, und seither sind noch einmal ebenso viele neue Quellen hinzugekommen. Doch bis heute gibt es viermal so viele Anträge auf Beobachtungszeit mit dem Satelliten, wie bewilligt werden können. Entsprechend wurde die Betriebszeit von ROSAT immer wieder verlängert, zuletzt bis Ende 1997.
Möglich gemacht hat das vor allem die hervorragende Leistung der Bodenbetriebsstation im Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum der DLR in Oberpfaffenhofen bei München: Obwohl im Laufe der Zeit zwei der vier Kreisel für das Lageregelungssystem auf dem Satelliten ausfielen und ein dritter nur noch eingeschränkt einsatzfähig ist, konnten Wissenschaftler, Ingenieure und Programmierer das Orientierungsvermögen des Satelliten retten.
Sie entwickelten ein Navigationskonzept, das im Prinzip auf Seefahrermethoden vergangener Jahrhunderte zurückgreift – auf die Bestimmung der Sonnenposition und der lokalen Magnetfeldrichtung. Dazu nutzten sie eine Magnetfeldsonde an Bord und den Sonnensensor, der ursprünglich verhindern sollte, daß das empfindliche Röntgenteleskop jemals in Richtung der blendenden Sonne gedreht wird.
Doch auch der erfolgreichste Satellit muß eines Tages abtreten – spätestens dann, wenn essentielle Teile des Betriebssystems oder der wissenschaftlichen Nutzlast ihre Funktion einstellen. Damit die Röntgenastronomie auch nach ROSAT weitergeht, wurden nationale wie internationale Nachfolgeprogramme gestartet.
Dazu gehört zum einen der europäische X-ray Multi-Mirror-Satellit XMM, ein Röntgen-Vielspiegelteleskop mit drei großen Wolter-Spiegelsystemen, von denen jedes bei einer Brennweite von 8 Metern aus 58 ineinandergefügten Spiegelschalen bestehen wird. Eine Ariane-5-Rakete soll den Satelliten 1999 in die Umlaufbahn tragen.
Zwei der Teleskope werden mit Halbleiter-Detektoren (Charge coupled devices, CCD) der University of Leicester und Röntgen-Spektrometern aus Utrecht bestückt, das dritte mit einem völlig neuartigen Röntgen-CCD-Detektor, der am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) in Garching entwickelt und in einem eigens dafür eingerichteten Labor gefertigt wurde. Er unterscheidet sich von den sonst üblichen CCD durch eine besonders große Effizienz bei hohen Energien bis 15 Kiloelektronenvolt (keV) – was einer Wellenlänge von 80 Nanometern oder etwa einem Zehntausendstel der Wellenlänge von rotem Licht entspricht.
Außerdem besitzt der Detektor eine gute zeitliche Auflösung, so daß er auch kurzfristige Intensitätsschwankungen registrieren kann, wie sie bei Röntgenpulsaren, aber auch bei den “Röntgenburstern” auftreten. Ein zweiter deutscher Röntgen-Forschungssatellit mit Namen ABRIXAS (für A Broad-Band Imaging X-ray All-sky Survey) soll im Januar 1999 gestartet werden und den Himmel erstmals im Bereich zwischen 0,5 und 15 keV mit einem abbildenden Röntgenteleskop durchmustern. Ein entsprechender Vertrag ist im Sommer vergangenen Jahres zwischen der Deutschen Agentur für Raumfahrt-Angelegenheiten DARA, dem MPE und der Firma OHB-System (Orbital- und Hydrotechnologie Bremen) als Hauptauftragnehmer unterzeichnet worden. Starten soll dieser Satellit mit einer COSMOS-Rakete vom russischen Startplatz Kapustin Yar aus.
Mit einer Gesamtmasse von 470 Kilogramm (davon entfallen etwa 160 Kilogramm auf die Nutzlast) gehört ABRIXAS in die Kategorie Kleinsatellit. Für seine wissenschaftliche Betreuung zeichnen das MPE, das Astrophysikalische Institut Potsdam (AIP) und das Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen (IAAT) gemeinsam verantwortlich.
Nachdem ROSAT den langwelligeren – und damit energieärmeren – Bereich zwischen 0,1 und 2,4 keV erfaßt hat, wird ABRIXAS die Erweiterung der ROSAT-Durchmusterung zu kürzeren Wellenlängen liefern. Das läßt vor allem dort neue Erkenntnisse erwarten, wo die weichere Röntgenstrahlung durch interstellare Absorption gleichsam “ausgeblendet” wird, ROSAT also wenig ausrichten konnte. Dazu gehört unter anderem die Gegend um das galaktische Zentrum, aber auch aktive Galaxienkerne, die hinter ihrer dichten Akkretionsscheibe verborgen liegen.
Die Herstellung der komplexen Röntgenoptiken, die aus je 27 ineinandergeschachtelten Wolter-Teleskopen bestehen, unterscheidet sich grundlegend von der Fertigung der ROSAT-Spiegel: Sie werden nicht mehr aus massiven Zerodur-Zylindern gedreht und erst nachträglich auf ihre extreme Glätte poliert, sondern mit Hilfe sogenannter Mandrels gefertigt. Das sind extrem glatt polierte Formkörper, auf deren Oberfläche Nickel elektrolytisch abgeschieden wird. Durch anschließende Abtrennung der Nickelschalen von den Mandrels entstehen die ABRIXAS-Spiegelschalen, an deren Innenseite die Röntgenphotonen streifend reflektiert werden.
ABRIXAS wird mit dem gleichen sechs mal sechs Quadratzentimeter großen Detektortyp ausgestattet, der schon an Bord von XMM eingesetzt werden soll. Sieben Wolter-Teleskope, jedes aus 27 ineinandergeschachtelten Spiegelschalen zusammengesetzt, werden ihre gebündelte Röntgenstrahlung auf diesen Detektor lenken. Das Teleskop wird den Himmel streifenweise aufnehmen. Die nominelle Missionsdauer von ABRIXAS beträgt drei Jahre. Man rechnet damit, daß er innerhalb dieser Zeit mehr als 10000 neue Röntgenquellen im Energiebereich oberhalb von 2 keV entdecken wird, von denen etliche dann mit XMM genauer untersucht werden sollen. XMM wird wegen seiner großen Sammelfläche wesentlich schwächere – und damit in aller Regel auch entferntere – Objekte als ROSAT erfassen und sie zusätzlich auch spektroskopisch beobachten können.
Vor allem die Erforschung der Galaxienhaufen wird dadurch entscheidend vorwärtskommen, weil so die räumliche Verteilung der Temperatur und der Elementhäufigkeiten im intergalaktischen Gas bestimmt werden kann. Da die schweren Elemente oberhalb von Helium nur im Inneren der Sterne entstehen können, sollte man aus dem Vergleich unterschiedlich weit entfernter – und entsprechend unterschiedlich alter – Galaxienhaufen eine chemische Evolution feststellen können, deren Geschwindigkeit wichtige Rückschlüsse auch auf die Gesamtgeschichte des Universums erlauben wird.
Schließlich werden die Astronomen mit XMM auch versuchen, mehr über die geheimnisvolle dunkle Materie zu erfahren, nach der die Astronomen seit langem suchen. Sie muß in Galaxien und Galaxienhaufen vorhanden sein, denn ihre zusätzliche Schwerkraft wird benötigt, um die beobachteten Rotationskurven von Galaxien und den Zusammenhalt von Galaxienhaufen zu erklären – die Anziehungskräfte der jeweils sichtbaren Materie reichen dazu nicht aus.
So besteht Hoffnung, aus sorgfältigen Röntgen-Beobachtungen des heißen Gases in den Galaxien und Galaxienhaufen die Struktur der wirksamen Gravitationsfelder ermitteln und daraus die Masse und Verteilung der dunklen Materie ableiten zu können.
Hermann-Michael Hahn
