Weltblick vom Feuerberg

Der Vulkan Mauna Kea auf Hawaii ist der mächtigste Berg der Erde. Und auf seinem Gipfel thront das leistungsfähigste Observatorium der Welt. Bei Hawaii denken die meisten Menschen an bunte Hemden, Hula-Tänzerinnen und Traumstrände. Doch der Archipel mitten im Pazifik hat weit mehr zu bieten: geografisch, geologisch, astronomisch. Hawaii ist mit 3500 Kilometer Länge die größte und am weitesten vom Festland entfernte Inselkette der Welt. Der erloschene Vulkan Mauna Kea auf Big Island ist der mächtigste Berg der Erde. 4205 Meter ragt er in den Himmel, und seine Basis liegt fast 6000 Meter unter dem Meeresspiegel. In den zehn Kilometer hohen Berg würde das Volumen des Mount Everest zweimal hineinpassen. Der Mauna Kea gibt eindrucksvoll Zeugnis von den Kräften im Innern der Erde. Der hawaiianische Vulkanismus ist ein besonderes Phänomen: Die Inseln haben sich nacheinander gebildet, weil sich die Pazifische Platte fünf bis zehn Zentimeter pro Jahr über eine Magmaquelle tief im Erdinneren schiebt. Die Geophysiker sprechen von einem „Hot Spot”. Aus mehr als 2900 Kilometer Tiefe dringt das Magma schubweise nach oben und wirkt wie ein Schneidbrenner. So entsteht ein Vulkan nach dem anderen. NACHWUCHS Aus DEM MEER Dieser Vorgang begann vor 70 Millionen Jahren. Der Mauna Kea ist vergleichsweise jung: Vor rund einer Million Jahren erhob sich der lavaspeiende Berg aus dem Meer. Er war lange Zeit aktiv, sodass sich die typische Kegelform ausbilden konnte. Zu den letzten Eruptionen kam es nach Ansicht der Wissenschaftler vor etwa 4500 Jahren. Seitdem schläft der mächtige Berg. Das muss aber nicht so bleiben. Schließlich bricht der Nachbargipfel Mauna Loa noch alle paar Jahre bis Jahrzehnte aus. Der aktivste Vulkan, Loihi, markiert das südöstliche Ende der Inselkette. Noch befindet er sich knapp 1000 Meter unter der Meeresoberfläche. Doch in einigen Zehntausend Jahren wird er aus den Fluten auftauchen und eine neue Hawaii-Insel bilden, die vielleicht den Mauna Kea überragt. Mauna Kea heißt in der Sprache der Hawaiianer „Weißer Berg”. Er ist nicht nur der heiligste Ort der Ureinwohner, sondern in gewisser Hinsicht auch der Astronomen: 13 Teleskope von Weltrang thronen auf seinem Gipfel. Hier herrschen Beobachtungsbedingungen, wie man sie nirgends sonst vorfindet. Nachts liegt eine Wolkendecke weit unter dem Gipfel und schützt vor dem Licht der Städte. Der Himmel ist an rund 325 Tagen im Jahr klar bei ruhiger Luft. Kein Wunder, dass hier bahnbrechende Entdeckungen gemacht wurden. Seit Januar 2011 hat das Institute for Astronomy der University of Hawaii, das sich um alle astronomischen Belange des Mauna-Kea-Observatoriums kümmert, einen neuen Direktor: Günther Hasinger. Er hat die Röntgenastronomie entscheidend vorangetrieben und sich intensiv mit dem Einfluss supermassereicher Schwarzer Löcher auf die Entwicklung von Galaxien und Quasaren beschäftigt. Auf Hawaii begleitet er den Aufbau der nächsten Generation von leistungsstarken Himmelsspähern. In der Planung sind ein Großteleskop mit einem 30 Meter großen Hauptspiegel und das größte Sonnenteleskop der Erde. Allein mit diesen Projekten wird das Mauna-Kea-Observatorium in den kommenden Jahrzehnten eine führende Rolle in der Welt einnehmen. Parallel dazu entsteht auf dem Gipfel Haleakala der Nachbarinsel Maui ein System von kleineren Teleskopen namens Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System). Damit lassen sich zum Beispiel Planetoiden aufspüren, bevor sie der Erde bedrohlich nahe kommen oder sie gar zu treffen drohen (bild der wissenschaft 3/2012, „Die Erde schlägt zurück”). Das erste Teleskop arbeitet bereits. ATEMBERAUBENDER GIPFEL Der Mauna Kea bietet nicht nur einen atemberaubenden Blick ins All, sondern er ist es im Wortsinn selbst. Am Gipfel herrschen nur 60 Prozent des Luftdrucks auf Meereshöhe. „Der Aufenthalt auf dem Gipfel ist kein Pappenstiel”, sagt Günther Hasinger. „Niemand darf dort länger als 14 Stunden bleiben.” Und jeder muss sich wegen der dro- henden Höhenkrankheit – Kopfschmerzen, Übelkeit, eingeschränkte Wahrnehmungsfähigkeit bis hin zu Lungen- oder Hirnödem – vorher akklimatisieren. Um der Gefahr vorzubeugen, wurde auf 3000 Meter Höhe eine Zwischenstation errichtet, das Onizuka Center for International Astronomy. Man erreicht es auf einer 55 Kilometer langen steilen Straße, die sich zwischen den Gipfeln Mauna Loa und Mauna Kea hindurchwindet. Dafür ist ein Allrad-Antrieb nötig. Wer mehr als sechs Stunden im Observatorium arbeiten will, muss sich im Onizuka Center zuvor mindestens 24 Stunden lang an die Höhe gewöhnt haben. Die Geschichte des Observatoriums reicht bis in die 1960er-Jahre zurück. Damals sondierte der aus den Niederlanden in die USA emigrierte Astronom Gerard Kuiper auf dem Berg die atmosphärischen Bedingungen. Er maß die Zahl der wolkenfreien Nächte und studierte mit einem kleinen Teleskop die Luftunruhe. Das Resultat war so überzeugend, dass die University of Hawaii 1968 ein erstes Teleskop errichtete. Suche nach dem Schwarm Mit dem zweiten Teleskop, das einen Hauptspiegel von 2,2 Meter Durchmesser besaß und 1970 in Betrieb ging, wurde Astronomiegeschichte geschrieben: Mitte der 1980er-Jahre hatten David C. Jewitt von der University of California in Los Angeles und seine Studentin Jane Luu damit begonnen, Himmelskörper zu suchen, die außerhalb der Bahn von Neptun und Pluto die Sonne umkreisen. Astronomen vermuteten dort seit Jahrzehnten einen Schwarm von Kleinkörpern, aus dem kurzperiodische Kometen wie Halley stammen. Doch bis dahin war es unmöglich, die extrem lichtschwachen Objekte in diesem fernen Bereich des Sonnensystems zu entdecken, der nach dem Hawaii-Erkunder „Kuipergürtel” heißt. Jewitt und Luu entwickelten eine ausgeklügelte Suchstrategie und begannen 1987 mit ersten Beobachtungen auf dem Kitt Peak in Arizona – ohne Erfolg. Das Sonnensystem schien jenseits der großen Planeten leer zu sein. Doch dann wechselten die beiden Astronomen an das 2,2-Meter-Teleskop auf dem Mauna Kea. Neben einer besseren Kamera war dort die Luftunruhe deutlich kleiner als auf dem Kitt Peak. Das brachte den Durchbruch. Das Ende von Pluto Am 30. August 1992 bemerkten Jewitt und Luu auf vier Aufnahmen einen sich langsam bewegenden schwachen Lichtpunkt. Schnell rechneten sie aus, dass der Körper rund 250 Kilometer Durchmesser haben und 37 bis 59 Mal so weit von der Sonne entfernt sein musste wie die Erde. Damit zog er weit jenseits der Neptunbahn mit 30 Erdbahnradien seine Runden. David C. Jewitt und Jane Luu hatten den ersten Himmelskörper im Kuipergürtel entdeckt. „Als Jane das erkannte, rief sie: ‚Das ist das Ende von Pluto‘”, erinnerte sich Jewitt später. Sie sollte recht behalten. Weitere Mitglieder des Kuipergürtels wurden entdeckt, von denen einer, der heute Eris heißt, größer als Pluto ist. Dies führte 2006 zu der Entscheidung, Pluto auf den Status „Zwergplanet” herabzustufen (bild der wissenschaft 12/2006, „Plutos Sturz”). Inzwischen sind rund 1300 Objekte im Kuipergürtel dokumentiert. Astronomen schätzen, dass dort insgesamt mindestens 70 000 mit mehr als 100 Kilometer Durchmesser umherschwirren. Ab 1979 beschleunigte sich der Aufbau des Observatoriums auf dem Mauna Kea. Die Astronomen erschlossen neue Wellenlängenbereiche. So wurde das von einer kanadisch-französischen Kollaboration errichtete 3,6-Meter-Teleskop mit einer Infrarotkamera bestückt, ebenso wie ein britisches 3,8-Meter- Teleskop. Damit betraten Astronomen Neuland: Zum einen gab es zuvor keine so empfindlichen Infrarotdetektoren. Zum anderen ist der Infrarotbereich vom Erdboden aus kaum zugänglich, weil der Wasserdampf in der Atmosphäre diese Strahlung größtenteils verschluckt – nicht so auf dem Mauna Kea: In 4200 Meter Höhe befindet sich rund die Hälfte des gesamten atmosphärischen Wasserdampfs unter dem Gipfel, der Blick nach oben ist viel klarer als vom Erdboden aus. EMPFINDLICHKEIT IST ALLES Gestirne entstehen im Inneren dichter Staubwolken. Sichtbares Licht kann diese Nebel nicht durchdringen, weswegen sie schwarz erscheinen. Aber Nahe Infrarotstrahlung (Wellenlängenbereich 780 bis 3000 Nanometer) kann sie passieren, was einen Blick ins Innere der stellaren Kreißsäle erlaubt. Auch für das Mittlere und Ferne Infrarot (bis etwa einen Millimeter Wellenlänge) sind die Nebel durchlässig. Um die schwache Strahlung zu empfangen, sind große Parabolspiegel nötig, ähnlich wie bei Radioteleskopen. Das 1987 eröffnete James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) besitzt eine 15 Meter große Parabolantenne und ist damit das weltweit größte Einzelteleskop dieser Art. Hinzu kommt eine Anlage mit acht jeweils sechs Meter großen Schüsseln, die sich zusammenschalten lassen, um gemeinsam mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit lichtschwache Himmelskörper zu beobachten. Im September 2011 wurde das JCMT mit einer brandneuen Kamera ausgerüstet. Dieses 4,5 Tonnen schwere Instrument sieht das Universum mit anderen Augen. In einem Wellenlängenbereich von 0,45 bis 0,85 Millimeter leuchten selbst Himmelskörper am Firmament, die Temperaturen von nicht einmal 10 Kelvin aufweisen – etwa minus 263 Grad Celsius. Hiermit lassen sich Staubwolken beobachten, die sich in einer sehr frühen Phase der Sternentstehung noch verdichten. GALAKTISCHE BRUTSTÄTTEN Ein spektakuläres Beispiel ist die Galaxie M 66. Im sichtbaren Licht ziehen sich dunkle Staubwolken durch ihre zwei Spiralarme. Mit der neuen Kamera sieht man diese Filamente plötzlich leuchten und erkennt, wo neue Sterne entstehen. Auf diese Weise versuchen Astronomen zurzeit herauszufinden, ob äußere Einflüsse die Sternentstehung beeinflussen, etwa die Schwerkraft einer nahen Begleitgalaxie. Die Stars auf Mauna Kea sind vier für den sichtbaren und infraroten Bereich konzipierte Großteleskope aus den 1990er-Jahren: Die beiden 8-Meter-Teleskope Gemini und Subaru sowie die zwei Keck-Teleskope. Gemini ging im Jahr 1999 in Betrieb. Seitdem hat es für viele Erkenntnisse gesorgt. „Für uns erwies sich Gemini als das richtige Teleskop am richtigen Ort und zur richtigen Zeit”, sagt Antonino Cucchiara von der Penn State University. 2011 berichtete er in einem Vortrag auf der Tagung der American Astronomical Society in Boston von einer solchen Erkenntnis. Zwei Jahre zuvor hatte das Weltraumteleskop Swift einen hellen Gammastrahlen-Blitz registriert. Umgehend wurde ein Netz von Observatorien alarmiert, die ihre Instrumente auf die schnell abklingende Strahlungsquelle richteten. Gemini war eines davon. Nach einer schwierigen Datenauswertung über zwei Jahre war klar: Der Gammastrahlen-Ausbruch stammte von der Explosion eines Riesensterns, die sich nur etwa 500 Millionen Jahre nach dem Urknall ereignet hat. Damit ist GRB 090429B – so sein astronomisches Kürzel – das fernste Himmelsobjekt, das jemals beobachtet wurde. Der fernste Quasar Kurze Zeit später sorgten Beobachtungen mit Gemini für einen weiteren Rekord. Ein Team um Daniel Mortlock vom Imperial College in London hatte den fernsten Quasar entdeckt. Sein heute empfangenes Licht stammt aus der Zeit 770 Millionen Jahre nach dem Urknall. Ein Quasar ist das aktive Zentrum einer Galaxie, wo ein supermassereiches Schwarzes Loch Materie aus der Umgebung verschlingt. Dabei wird enorm viel Strahlung frei. „Dieser Quasar ist hundert Mal so leuchtkräftig wie alle anderen Objekte in dieser Entfernung”, sagte Mortlock. Aus der Helligkeit schließen die Astrophysiker auf ein Schwarzes Loch von zwei Milliarden Sonnenmassen. Pionierarbeit haben amerikanische Astronomen auch mit dem Bau des ersten Keck-Teleskops geleistet, den die Stiftung des 1964 verstorbenen amerikanischen Ölmagnaten William Myron Keck mit rund 70 Millionen Dollar unterstützte. Es war das bislang größte privat finanzierte Wissenschaftsprojekt. Und es sollte einen völlig neuen Weg für künftige Großteleskope ebnen: Teleskopspiegel ab zehn Meter Durchmesser lassen sich nicht mehr am Stück herstellen. Stattdessen muss der Reflektor aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt werden. Die Nahtstellen müssen dabei absolut glatt sein, damit kein Streulicht entsteht. Außerdem ist es unerlässlich, dass die Segmente auf der Rückseite von einer computergesteuerten aktiven Mechanik gestützt werden, die sie in jeder Lage exakt ausrichtet – und zwar zwei Mal pro Sekunde auf vier Millionstel Millimeter genau. Der 10-Meter-Spiegel des Keck-Teleskops setzt sich aus 36 Hexagonal- Elementen zusammen, die das Mainzer Unternehmen Schott lieferte. Viele Astronomen waren skeptisch, ob das radikal neue Konstruktionsprinzip auch wirklich funktionieren würde. Doch es gelang. Daraufhin entschlossen sich die Astronomen zum Bau eines Zwillingsteleskops. Seit 1996 arbeiten beide Keck-Teleskope. Sie lassen sich koppeln, sodass ein Himmelskörper mit beiden Instrumenten gleichzeitig beobachtet werden kann. Das erhöht die Detailschärfe und die Empfindlichkeit. DER JÜNGSTE PLANET Als Universalinstrumente haben die Kecks auf vielen Gebieten der Astronomie Marksteine gesetzt – zum Beispiel bei der Erforschung extrasolarer Planeten. Sie entstehen in einer Scheibe aus Gas und Staub, die den jungen Stern umgibt. Das wissen Astronomen schon lange. Doch direkt gesehen hatte diesen Vorgang bis 2011 niemand. Dann gelang es zwei Forschern der University of Hawaii bei dem 470 Lichtjahre entfernten jungen Stern LkCa 15, einen Protoplaneten inmitten der Staubscheibe abzubilden, aus der er entstanden war. Die Keck-Teleskope haben auch zum Physik-Nobelpreis 2011 beigetragen, mit dem die Entdeckung der beschleunigten Ausdehnung des Weltraums geehrt wurde (bild der wissenschaft 7/2001, „Die mysteriöse Dunkle Energie”). Die Grundlage dafür schufen Beobachtungen ferner Sternexplosionen, die zwei Teams gleichzeitig maßen. John Tonry von der Unversity of Hawaii gehörte zu einer der beiden Gruppen. Sein Verdienst ist es, weit entfernte Supernovae mit einer neuen Kamera entdeckt zu haben. Sie wurde an dem Institut gebaut, das Günther Hasinger seit einem Jahr leitet. Mit der Einführung segmentierter Teleskopspiegel übernahm das Mauna-Kea-Observatorium die Führungsrolle in dieser Technik. Sie wird in mehreren zukunftsweisenden Projekten zum Tragen kommen – etwa beim Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops, dem James Webb Space Telescope. Auch das 30- Meter-Teleskop, das bis Ende dieses Jahrzehnts auf dem Mauna Kea entstehen soll, wird einen zusammengesetzten Spiegel besitzen – aus 492 Segmenten. Für den Mauna Kea als Standort dieses „Mega-Keck” entschieden sich die amerikanischen Astronomen nicht nur aufgrund der exzellenten Beobachtungsbedingungen, sondern auch wegen der bereits vorhandenen Infrastruktur und der Erfahrung mit Großteleskopen. Was das Superteleskop entdecken wird, lässt sich kaum erahnen. Die Astronomen hoffen, die Atmosphären von erdähnlichen Planeten in anderen Sonnensystemen studieren zu können und die erste Generation von Sternen und Schwarzen Löchern im Universum aufzuspüren. „Doch das Aufregendste”, sagt Günther Hasinger, „ist immer das Unerwartete.” ■ THOMAS BÜHRKE ist promovierter Astronom und regelmäßiger bdw-Autor. Auf Seite 104 wird er ausführlich vorgestellt. von Thomas Bührke Kompakt · Auf dem Mauna Kea stehen 13 Teleskope, die ausgezeichnete Beobachtungsbedingungen haben. · Zu den bahnbrechenden Entdeckungen des Observatoriums gehören der Kuipergürtel, extrasolare Planeten, ferne Sternexplosionen und Urgalaxien sowie die beschleunigte Ausdehnung des Weltraums. Mehr zum Thema INTERNET Das Mauna-Kea-Observatorium: www.ifa.hawaii.edu/mko Die Mauna-Kea-Webcams: kiloaoloa.soest.hawaii.edu/current/cams/index.cgi Wettervorhersage für den Riesenberg: mkwc.ifa.hawaii.edu/index.cgin Günther Hasinger Der 1954 in Oberammergau geborene Astronom diplomierte und promovierte in Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität München. Er beschäftigte sich damals mit dem noch jungen Gebiet der Röntgen-Astronomie. Dann wechselte er an das Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE), wo er am deutsch-britischen Röntgenteleskop Rosat mitarbeitete. 1994 übernahm Günther Hasinger die Direktorenstelle des Astrophysikalischen Instituts Potsdam und kehrte 2001 als Direktor an das MPE zurück. Nach einem gut zweijährigen Intermezzo als Direktor des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik übersiedelte er Anfang 2011 nach Hawaii. Dort übernahm er die Leitung des Institute for Astronomy mit etwa 250 Wissenschaftlern. Hasinger erhielt zahlreiche Auszeichnungen, darunter den namhaften Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Als populärwissenschaftlicher Autor machte er sich mit seinem Buch „Das Schicksal des Universums” einen Namen. Die bdw-Jury wählte es 2008 zum „Wissenschaftsbuch des Jahres”.