Astronomie: Seit 25 Jahren liefert Hubble atemberaubende Bilder aus dem Kosmos
Am 24. April 1990 jubelten Forscher auf der ganzen Welt über den geglückten Start des Space Shuttles „Discovery“. Es brachte das Hubble-Weltraumteleskop ins All. Knapp vier Wochen später, am 20. Mai, warteten die Wissenschafter und mit ihnen die ganze Welt auf das erste Bild. Nach langen Systemstests war das Teleskop endlich einsatzbereit, und kurz vor zwölf Uhr mittags erschien die Aufnahme des Sterns Iota Carina auf den Bildschirmen der Astronomen.
Statt erneutem Jubel machte sich Enttäuschung breit. NASA-Mitarbeiter Chris Burrows, der das Handbuch für Hubbles optisches System verfasst hatte, merkte, dass hier etwas nicht stimmen konnte. Seine Analyse zeigte zwei Tage später, dass der Spiegel des Teleskops fehlerhaft war. Statt gestochen scharfer Bilder zeigten Hubbles Kameras verwaschene Sternflecken. Die Astronomen waren dort, wo sie angefangen hatten – und das große Problem, das sie mit dem neuen Teleskop lösen wollten, blieb bestehen.
Denn mit Hubble hofften sie ein Hindernis aus dem Weg zu räumen, das die astronomische Forschung enorm behinderte: die Atmosphäre unseres Planeten. Beim Blick in den Himmel und hinaus ins Weltall stand immer die Lufthülle der Erde im Weg. Obwohl das Licht der Sterne in der Lage ist, durch sie hindurch zu scheinen, kommt es nicht ungestört am Erdboden an. Treffen die Lichtstrahlen aus dem Vakuum des Weltraums auf die Atmosphäre des Planeten, werden sie gebrochen. Sie werden langsamer, und ihre Richtung ändert sich. Das Ausmaß der Ablenkung hängt von der Temperatur und der Dichte der Luft ab. Selbst kleinste Turbulenzen beeinflussen die Ausbreitung des Lichts. Die Sterne stehen dann nicht still am Himmel, sondern scheinen hin und her zu springen. Mit freiem Auge ist der Effekt als typisches Flackern der Sterne zu sehen. In den Kameras der Astronomen sorgt dieses „Seeing“ genannte Phänomen für unscharfe Bilder. Je länger die Belichtungszeit, desto schlechter wird die Qualität.
Ferne Galaxien, Details kosmischer Nebel, Strukturen in zerfetzten Gaswolken, die nach Sternexplosionen übrig bleiben, oder Einzelheiten auf den Oberflächen der Planeten in unserem Sonnensystem: All das war für die Astronomen von der Erdoberfläche aus nicht sichtbar. Dieser fundamentale Mangel bei der Beobachtung des Universums störte den Erkenntnisgewinn massiv. Die Theoretiker konnten zwar Modelle für das Verhalten und die Entwicklung von Sternen aufstellen oder für die Wechselwirkung von Galaxien, aber es gab keine ausreichend guten Beobachtungen, um die Vorhersagen auch zu überprüfen.
Natürlich war den Forschern klar, wie eine Lösung aussehen müsste. Schon Hermann Oberth, ein Pionier der Raumfahrt, schwärmte in seinem 1923 erschienenen Buch „Die Rakete zu den Planetenräumen“ von den Vorteilen eines Teleskops, das sich nicht auf der Erde, sondern im Weltraum befindet. Auch Astronomen (und Science-Fiction-Autoren) stellten sich Sternwarten vor, die durchs All schweben oder auf dem luftlosen Mond gebaut werden. Das erste konkrete und technisch ausgereifte Konzept für ein Weltraumteleskop veröffentlichte der amerikanische Astronom Lyman Spitzer 1946. Als er seinen Aufsatz „Die astronomischen Vorteile eines extraterrestrischen Observatoriums“ publizierte, waren die einzigen einsatzfähigen Raketen die V2-Waffen, die nach Ende des Zweiten Weltkrieges von den Amerikanern in Deutschland erbeutet worden waren. Die waren zwar in der Lage, kleine wissenschaftliche Instrumente bis an den Rand der Atmosphäre zu bringen. Aber für Spitzers ambitionierte Pläne waren sie nicht geeignet. Sein Vorschlag sah ein Teleskop vor, dessen Spiegel einen Durchmesser von fünf bis 15 Metern haben sollte. Für die meisten seiner Kollegen klang das vollkommen absurd. Immerhin war das größte optische Teleskop der damaligen Zeit das Hale-Teleskop am Mount Palomar Observatorium in Kalifornien, und dessen Spiegel durchmaß gerade mal 5,1 Meter. Ein bis zu dreimal so großes Gerät ins All zu bringen, erschien den meisten Wissenschaftlern unmöglich. Und selbst wenn ein Weltraumteleskop gebaut würde: Vermutlich würde es beim Start ins All zerstört, und Unsummen wären verschwendet.
Spitzer ließ sich aber nicht beirren und verfolgte den Gedanken einer Astronomie außerhalb der Atmosphäre weiter. Zunächst schickten Spitzer sowie die Astronomen Martin Schwarzschild und James Van Allen kleine Teleskope mit Ballonen in die Stratosphäre und demonstrierten, welch scharfe Bilder man machen konnte, wenn man die Atmosphäre überwand. Seit die Sowjetunion im Oktober 1957 den ersten künstlichen Satelliten um die Erde kreisen ließ, gewann die Raumfahrt auch in den USA an Bedeutung. Nach den ersten eigenen Versuchen mit kleinen Satelliten waren die Wissenschafter immer mehr von der Realisierbarkeit eines Weltraumteleskops überzeugt. Bei einer Konferenz im Jahr 1965 wurden Pläne geschmiedet, um das „Large Space Telescope“, wie das Projekt damals genannt wurde, umzusetzen. In der Folge mussten die Politiker überzeugt werden, das Weltraumteleskop zu finanzieren. Was nach einigen Schwierigkeiten gelang: Der Start wurde für 1983 geplant. Die üblichen Verzögerungen bei der Konstruktion verschoben den Termin um drei Jahre. Aber auch dann konnte das mittlerweile in „Hubble Space Telescope“ umbenannte Gerät nicht fliegen. Ein paar Monate zuvor war das Space Shuttle Challenger explodiert, und da auch Hubble mit einem Shuttle ins All gebracht werden sollte, lag das Projekt bis zur Klärung der Katastrophe auf Eis. Erst am 24. April 1990 war es so weit. Mehr als vier Jahrzehnte, nachdem Spitzer das Konzept eines Weltraumteleskops vorgestellt hatte, flog es nun tatsächlich ins All.
Tags darauf wurde es erfolgreich fast 600 Kilometer über der Erdoberfläche ausgesetzt und aktiviert. Ein paar Wochen später war alles bereit für die ersten echten Aufnahmen des Sternenhimmels. Viele Forscher hatten ihre gesamte Karriere der Konstruktion und dem Erfolg des Teleskops gewidmet, und nun warteten sie auf den großen Augenblick des „First Light“, wie die erste echte Belichtung jedes neuen Teleskopspiegels in der Astronomie genannt wird. Aber aus dem Triumph von Wissenschaft und Technik wurde ein Misserfolg.
„Als junger Dissertant war ich damals am Observatoire de Paris-Meudon und gemeinsam mit allen Kolleginnen und Kollegen in Aufbruchstimmung. Umso größer war die Enttäuschung, als die ersten Bilder unschärfer wirkten als solche von kleinen Amateurteleskopen“, erinnert sich Franz Kerschbaum, heute Professor an der Universitätssternwarte Wien. „Sowohl bei der NASA als auch bei der Space Telescope European Coordinating Facility der ESA waren österreichische Wissenschafter in wichtigen Positionen dabei. Wir waren also nicht nur Zaungäste, sondern haben auch persönlich um Hubble gezittert“, so Kerschbaum.
Rasch war klar: Der Spiegel des Weltraumteleskops hatte einen grundlegenden Produktionsfehler. Die Bilder waren unscharf und würden unscharf bleiben, egal, welche Maßnahmen man von der Erde aus ergriff. „Das vernichtet im Prinzip unser gesamtes wissenschaftliches Programm“, fasste James Westphal die Lage damals zusammen, der mit seinem Team jene Kamera konstruiert hatte, von der man sich die spektakulärsten Bilder erhofft hatte.
Auch die übrigen vier wissenschaftlichen Instrumente waren durch den Fehler in der Optik weitgehend nutzlos geworden. Das über elf Tonnen schwere und 13 Meter lange Teleskop mit seinem 2,4 Meter durchmessenden Spiegel, das mehr als 2,5 Milliarden Dollar gekostet hatte, war nicht zu gebrauchen. Die Astronomen waren am Boden zerstört. Nach einem so teuren Fehlschlag würde wohl so schnell kein neues großes Projekt finanziert werden. Der Traum von einem ungestörten Blick auf das Universum schien ausgeträumt.
Zum Glück nur bis zum Dezember 1993. Das Hubble-Teleskop war von Anfang an darauf ausgelegt, regelmäßig durch Space-Shuttle-Flüge gewartet zu werden. Nachdem man sich nach dem ersten Schock entschieden hatte, das Projekt dennoch weiterzuführen, lautete das Primärziel der ersten Servicemission, den optischen Fehler des Spiegels zu korrigieren. Mittlerweile kannte man auch den Grund für das Desaster: Ein Instrument, das bei der Produktion des Teleskops Fehler am Spiegel erkennen hätte sollen, war selbst fehlerhaft gewesen. Ein neues Korrektursystem sollte das Manko nun beheben. Diesmal ging alles gut, und endlich konnte Hubble liefern, was man sich seit Jahrzehnten gewünscht hatte: einen völlig neuen Blick auf den Kosmos.
„Die besonders scharfen Bilder und der vom Orbit viel dunklere Himmel haben zahlreiche astronomische Prozesse erstmals sichtbar gemacht und geholfen, andere aufzuklären“, sagt Kerschbaum. „Für uns ist es heute ein über Jahrzehnte verlässliches Arbeitspferd, das uns besonders im ersten Jahrzehnt ganz neue Einblicke in den Kosmos ermöglicht hat und auch heute unverzichtbar erscheint.“ Hubbles Erfolge kann man kaum überschätzen. Ein besonders beeindruckendes Beispiel dafür ist das sogenannte „Hubble Deep Field“.
Eines der Ziele des Weltraumteleskops war die Beobachtung ferner Galaxien. Vom Erdboden aus waren diese lichtschwachen Himmelsobjekte kaum zu sehen und schon gar nicht im Detail abzubilden. Aber wenn man über die Entstehung und Vergangenheit des Universums Bescheid wissen will, ist ihre Beobachtung unerlässlich. Immerhin war es der Namensgeber des Teleskops selbst, der in den 1920er-Jahren entdeckte, dass sich der Kosmos ausdehnt. Edwin Hubble und seine Kollegen fanden heraus, dass sich alle Galaxien voneinander entfernen – und das umso schneller, je größer der Abstand ist. Früher müssen sie demnach näher beieinander gewesen, und irgendwann in der Vergangenheit muss alle Materie im All in einem Punkt vereint gewesen sein. Das Universum hatte einen Anfang, und je weiter wir hinaus in den Weltraum blicken, desto weiter schauen wir zurück zum Beginn. Die fernen Galaxien können den Astronomen zeigen, wie der Kosmos in seiner Jugend beschaffen war. Mit Hubble hatten sie nun eine exzellente Möglichkeit, diese Galaxien auch tatsächlich zu beobachten.
Im Jahr 1995 entschied sich Robert Williams, diese Möglichkeit zu nutzen. Er war damals Direktor des mit dem Management des Hubble-Teleskops betrauten Space Telescope Science Institute. Als Chef stand ihm persönliche Beobachtungszeit am Weltraumteleskop zur Verfügung, die er nach Belieben nutzen konnte. Williams verwendete sie, um einen winzigen Bereich am Himmel zu beobachten, der sich im Sternbild „Großer Bär“ befindet. Dort war mit anderen Instrumenten nichts zu sehen. Es war ein im Wesentlichen leeres Areal, das Hubble im Dezember 1995 fast 43 Stunden lang belichtete. Die 342 einzelnen Bilder, die dabei entstanden, wurden zu einem Gesamtbild kombiniert – und dieses war überwältigend: Aus dem Nichts war ein Panorama von mehr als 3000 Galaxien geworden.
Die Aufnahme, die den Namen „Hubble Deep Field (HDF)“ trägt, zeigte einige der zum damaligen Zeitpunkt fernsten je beobachteten Galaxien. Erst die lange, von jedem schädlichen Einfluss der Atmosphäre ungestörte Beobachtung des Weltraumteleskops hatte diese Objekte sichtbar gemacht. Das HDF war ein Meilenstein in der Kosmologie. Die Astronomen konnten es nutzen, um herauszufinden, wie sich die Rate der Sternentstehung im Laufe der Geschichte des Universums verändert hat. Sie stellten fest, dass früher viel mehr Galaxien kollidierten als heute. Das HDF brachte neue Ergebnisse zur Natur der Dunklen Materie, und selbst heute, 20 Jahre nach der Aufnahme, entdecken Wissenschaftler immer noch Details, die zu neuen Erkenntnissen führen. Das Hubble Deep Field hat mehr als 400 wissenschaftliche Publikationen hervorgebracht. 1998 wiederholte man das Experiment auf der südlichen Hälfte des Himmels und erstellte das „Hubble Deep Field South“. Der Blick in die andere Richtung des fernen Universums zeigte, dass der Kosmos überall gleich aussieht und bekräftigte die Hypothese des kosmologischen Prinzips, das besagt, dass es im Weltall keinen bevorzugten oder „besonderen“ Ort gibt.
2003 wurde das „Hubble Ultra Deep Field“ aufgenommen, das noch weiter in die Ferne und Vergangenheit blickt, und das am 25. Dezember 2012 veröffentlichte „Hubble Extreme Deep Field“ ist mit einer gesamten Belichtungszeit von etwa 23 Tagen der tiefste Blick ins Universum, der im optischen Bereich bisher gemacht wurde. Fast 5500 Galaxien sind darauf abgebildet. Die entferntesten und damit jüngsten von ihnen sind in einem Stadium knapp 450 Millionen Jahre nach dem Urknall zu sehen.
Manche Entdeckungen stellen Astronomen heute noch vor Rätsel. Ende des letzten Jahrtausends nutzten sie das Weltraumteleskop, um in fernen Galaxien nach Supernova-Explosionen zu suchen. Mit diesen Daten wollten sie herausfinden, ob sich das Universum früher schneller ausgedehnt hat als heute. Man ging davon aus, dass es genau so sein musste, denn die Expansion des Alls sollte eigentlich nach dem Urknall immer weiter an Schwung verlieren. Stattdessen beobachtete man das Gegenteil: Das Universum expandiert immer schneller und schneller. Es muss von einer noch unbekannten Energie erfüllt sein, welche die Galaxien auseinandertreibt. Die Entdeckung dieser Dunklen Energie hat unser Verständnis des Kosmos auf den Kopf gestellt und wurde 2011 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
25 Jahre nach seinem holprigen Start ist Hubble zum Star der Astronomie geworden. Es sei die Gesamtstory, die Hubble so besonders macht, ist Franz Kerschbaum überzeugt: „Ein Weltraumteleskop, mit dem Shuttle hochgebracht, von Astronauten installiert und später dramatisch repariert, das viele der schönsten jemals gewonnenen Bilder des Weltalls weiten Kreisen der Öffentlichkeit nähergebracht hat.“
Denn neben all den wissenschaftlichen Erkenntnissen hat Hubble auch den Blick der Menschheit auf den Kosmos verändert. Die gestochen scharfen, großformatigen Bilder von Galaxien, Sternen und kosmischen Nebeln sind Teil unseres Allgemeinwissens geworden und haben nicht nur Interesse an der Astronomie geweckt, sondern auch den Wissenschaftern neue Möglichkeiten eröffnet, ihre Forschung zu vermitteln. „Die von den Amerikanern professionell vermarkteten Bilder haben wie bei keinem astronomischen Projekt zuvor breiteste Kreise der Bevölkerung erreicht. Das hat ganz allgemein Werbung für Astronomie, Weltraum und Wissenschaft gemacht“, meint Kerschbaum. „Dies wiederum hat auch die europäischen Großforschungseinrichtungen bewogen, mehr Wert auf Öffentlichkeitsarbeit zu legen. Ende der 1990er-Jahre gab es nur vier hauptberuflich mit Öffentlichkeitsarbeit befasste Personen bei der ESA. Gleichzeitig leistete sich NASA mehr als 100 nur für Hubble.“
Mit dem Ende des Shuttle-Programms der NASA gibt es nun aber keine Möglichkeit mehr, das Hubble-Teleskop regelmäßig zu warten. Die Umlaufbahn, die bisher von Raumfahrzeugen immer wieder korrigiert wurde, wird sich langsam verändern. Wenn niemand etwas dagegen unternimmt, wird das Teleskop im Jahr 2024 in der Erdatmosphäre verglühen. Das Schicksal von Hubble scheint besiegelt. Denn so erfolgreich das Projekt auch war: Die astronomische Welt hat sich mittlerweile stark verändert. Heute ist man in der Lage, wirklich große Teleskope auf der Erde zu bauen, die wesentlich mehr Licht sammeln können als das Gerät im All.
Seit Mitte der 1990er-Jahre wird verstärkt die Technik der adaptiven Optik eingesetzt. Dabei registriert ein Laserstrahl selbst kleinste Turbulenzen in der Luft und leitet die Daten an einen schnellen Computer weiter. In Echtzeit werden die Informationen ausgewertet und dazu benutzt, den Spiegel eines Teleskops genau so zu verformen, dass die durch die Atmosphäre hervorgerufenen Unregelmäßigkeiten ausgeglichen werden. Das Teleskop flackert quasi im gleichen Rhythmus wie die Sterne. Die Bilder von bodengebundenen Sternwarten können daher heute durchaus mit denen von Hubble mithalten. Die Kosten und Mühen, um ein ganzes Teleskop in den Weltraum zu verfrachten, nimmt man mittlerweile nur noch auf sich, wenn es um Beobachtungen geht, die von der Erde aus prinzipiell unmöglich sind. Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und auch das meiste Infrarotlicht werden von der Lufthülle des Planeten beispielsweise komplett blockiert und sind nur vom Weltraum aus sichtbar. Für normale optische Beobachtungen jedoch baut man heute lieber Megasternwarten mit Spiegeln, die mehrere Dutzend Meter durchmessen, und stattet sie mit einer adaptiven Optik aus.
Das Gerät, das als Hubbles Nachfolger gilt, wird trotzdem mindestens genauso spektakuläre Bilder liefern. Es trägt den Namen James Webb Space Telescope, soll 2018 ins All fliegen und wird den Himmel im Infrarotlicht betrachten. Sein 6,5 Meter großer Spiegel lässt das Hubble-Teleskop fast zwergenhaft erscheinen. Aber egal, wie beeindruckend die Zukunftstechnik sein wird: In den Herzen der Astronomen wird Hubble einen Stammplatz haben.
Solange es seinen Dienst versieht, kann man es sogar von der Erde aus beobachten, denn es ist nahe und groß genug, um als vergleichsweise heller Lichtpunkt zu erscheinen, der gut mit freiem Auge sichtbar ist. Aufgrund seiner Umlaufbahn ist Hubble aber nur von Regionen aus zu sehen, die nicht weiter als 45 Grad nördlich respektive südlich des Äquators liegen. Von Österreich aus bleibt es damit unsichtbar. Aber wer sich im Sommerurlaub in Italien aufhält, kann sich unter heavens-above.com/ über die Position von Hubble informieren und dem Teleskop bei der Arbeit zusehen.
Owen Edwards, Zoltan Levay, Charles F. Bolden Jr., John Mace Grunsfeld: Expanding Universe, Taschen, März 2015, 260 Seiten, EUR 49,99