Astronomie: Am Rande der Finsternis

Vor fünf Jahren wurde im Rahmen der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile das größte Spiegelteleskop der Welt in Betrieb genommen. Kürzlich schafften französische und Schweizer Forscher mit dieser Apparatur einen neuen Weltrekord – die Entdeckung der bisher am weitesten entfernten Galaxie.

Kein Mensch hatte je zuvor mit einer Entfernung dieser Größenordnung zu tun: Am 1. März dieses Jahres meldeten französische und Schweizer Astronomen die Entdeckung einer Galaxie, die weiter von der Erde entfernt ist als alle Galaxien, die bisher bekannt waren. 13,230 Milliarden Lichtjahre ist diese Galaxie von der Erde entfernt. Das heißt, den Forschern ist es gelungen, Lichtwellen einzufangen, die bei einer Geschwindigkeit von rund 300.000 Kilometern pro Sekunde mehr als 13 Milliarden Jahre lang unterwegs waren.
Das ist neuer Weltrekord.

Die entferntesten Galaxien, die zuvor entdeckt wurden, sind etwa 12,6 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Schritt für Schritt tasten sich die Forscher an die allerersten Sterne heran, die am Ende des so genannten dunklen Zeitalters entstanden sind. Nach dem Urknall vor 15 Milliarden Jahren gab es im finsteren Universum noch über hunderte Millionen Jahre kein einziges Licht. Dann bildeten sich aus Gaswolken durch Verdichtung, Gravitation und enormen Druck nach und nach die ersten Sterne. Ein winziges Licht nach dem anderen durchbrach die große Finsternis.

Was die Forscher am Rande dieses dunklen Zeitalters entdeckt haben, ist in der Sprache der Astrophysiker eine besonders „junge Galaxie“ mit der Bezeichnung Abell 1835 IR1916. Sie ist bereits zu einem Zeitpunkt entstanden, als das Universum erst drei Prozent seines heutigen Alters hatte und nur 470 Millionen Jahre alt war. Das wissen die Forscher aus der genauen Spektralanalyse des empfangenen Lichts.

Milliarden Sterne. Dass wir das Licht einer solchen Galaxie überhaupt empfangen können, liegt an ihrer Größenordnung: Sie besteht nicht etwa bloß aus einigen Sternenhaufen, sondern aus einer Ansammlung von vielen Milliarden Sternen, die in Summe eine Lichtmenge generierten, die trotz der enormen Distanz auf der Erde noch wahrnehmbar ist. Das gelang allerdings nur unter Zuhilfenahme der modernsten und höchstentwickelten Technologie – dem so genannten Very Large Telescope Array (VLT) der Europäischen Südsternwarte in der chilenischen Atacama-Wüste. Das derzeit größte und leistungsstärkste Spiegelteleskop der Welt ging vor fünf Jahren offiziell in Betrieb.

Das VLT gehört zum European Southern Observatory (ESO), der größten europäischen Forschungsorganisation für Astronomie und Astrophysik mit Hauptquartier in Garching bei München. Die ESO zählt nach dem Beitritt Großbritanniens und kürzlich Finnlands derzeit elf europäische Mitgliedsstaaten. Spanien, so wie Großbritannien eine der führenden Nationen in der Astronomie, verhandelt gerade über einen Beitritt, vier weitere europäische Länder haben bereits ihr Beitrittsinteresse bekundet – Österreich ist nicht darunter. Zwar sprach sich der österreichische Forschungsrat für die Aufnahme von Beitrittsverhandlungen aus, aber die Regierung will zuvor alle Beteiligungen an internationalen Forschungseinrichtungen evaluieren und erst dann entscheiden (siehe auch Interview).

Idealer Platz. Die Forschungseinrichtungen der ESO liegen alle in Chile, teils in Santiago, teils weit nördlich davon. Das weltgrößte Spiegelteleskop VLT steht auf dem Gipfel des 2635 Meter hohen Cerro Paranal, 120 Kilometer südlich der chilenischen Stadt Antofagasta und zwölf Kilometer von der pazifischen Küste entfernt (siehe Karte auf Seite 115). Der Berg liegt mitten in der Atacama-Wüste. Dieser trockenste Platz der Erde offeriert den Wissenschaftern ideale Bedingungen: Bis zu 350 klare Nächte im Jahr, wenig atmosphärische Turbulenzen und geringe Luftfeuchtigkeit erhöhen die Transparenz der Atmosphäre vor allem im Infrarot-Wellenbereich. Der Paranal gilt als der beste Platz für astronomische Beobachtungen in der südlichen Hemisphäre.

Sieben Jahre lang wurde das Gelände getestet, bis man 1991 mit den Bauarbeiten begann. Streitereien mit dem Vorbesitzer des Grundstücks führten zu weiteren Verzögerungen. Schließlich wurden 350.000 Kubikmeter Lavasand und -geröll abgetragen, um auf dem Berggipfel eine ebene, 20.000 Quadratmeter große Plattform für den Bau des Großteleskops zu schaffen. Um einen weit gehend ungestörten Windfluss rund um den Berg zu gewährleisten – eine für astronomische Beobachtungen wesentliche Voraussetzung –, sind die Laborräume in Geschoßen unter der Erde angeordnet. Aus demselben Grund wurden die Kontrollgebäude knapp unterhalb der Hauptebene, die notwendigen Versorgungs- und Verwaltungsgebäude einschließlich einer Werkstatt für die Aluminisierung der riesigen Teleskopspiegel jedoch am Fuß des Berges errichtet. Dort befindet sich auch das eigens für die zahlreich anreisenden Forscher gebaute Hotel.

Das Observatorium selbst besteht aus vier miteinander vernetzten Spiegelteleskopen, die in Form eines Trapezoids angeordnet sind. Die Hauptelemente dieser Teleskope sind vier Spiegel mit einem Durchmesser von jeweils 8,2 Metern und jeweils 20 Tonnen schwer. Um eventuelle gewichtsbedingte Verformungen auszugleichen, sind an der Unterseite eigene Stempel angebracht. Zu dieser „adaptiven“ kommt noch eine „aktive“ Optik, welche in jedem Fall optimale Bildschärfe gewährleistet. Zusätzlich zu den vier Spiegelteleskopen beherbergt die Anlage noch drei bewegliche 1,8-Meter-Teleskope. Das von all diesen Teleskopen empfangene Licht lässt sich im VLT-Interferometer (VLTI) kombinieren, was Beobachtungen von bisher nie gekannter optischer Präzision erlaubt. Laut ESO müsste die Anlage in der Lage sein, sogar einen Astronauten auf dem Mond zu erkennen.

Während die Spiegel des amerikanischen Keck-Observatorium nur etwa 30 Meter auseinander liegen, ist der Abstand zwischen den VLT-Spiegelteleskopen nahezu 100 Meter. „Weil sie so weit auseinander liegen, haben sie den so genannten Froschaugeneffekt“, sagt Gerhard Hensler, Ordinarius am Institut für Astronomie der Universität Wien, „sodass man das Objekt wesentlich detaillierter sehen kann.“ Und genau diese Technologie ermögliche es, auch so extrem entfernte Objekte wie die jetzt entdeckte Galaxie besser zu erkennen, als es selbst mit dem Weltraumteleskop Hubble möglich wäre.

„Es ist sehr schwierig, solche Galaxien überhaupt zu sehen“, erklärt Sabine Schindler, Vorstand des Instituts für Astronomie und Astrophysik der Universität Innsbruck und Spezialistin für Extragalaktik. „Helfen kann dabei der so genannte Gravitations-Linseneffekt.“ Darunter verstehen die Forscher die Wirkung eines vorgelagerten Galaxienhaufens. Durch diese Massenkonzentration wird das Licht ähnlich abgelenkt wie in einer Linse, „dadurch sehen wir diese entfernten Galaxien besser, weil wir mehr von ihnen ausgehende Photonen empfangen als ohne diese Linse“.

Blaues Licht. Anhand des von einzelnen Sternen ausgehenden Lichtspektrums messen die Forscher auch das Alter der Galaxie. Junge Sterne emittieren sehr viel blaues Licht, und je blauer eine Galaxie erscheint, desto „jünger“ sind die in ihr enthaltenen Sterne. Nachdem ein Sternhaufen bis zu einer Million und eine Galaxie 100 Milliarden Sterne enthält und nachdem es da draußen unzählige Galaxien gibt, ist es eigentlich unvorstellbar, dass das Licht aus so großer Entfernung überhaupt zu uns kommt, ohne unterwegs auf Sterne, Planeten oder interstellares Gas zu treffen.

Die schlichte Erklärung ist: Trotz der unfassbaren Anzahl von Sonnen und Planeten ist der leere Raum zwischen den Himmelskörpern so groß, dass die Lichtwellen ungestört zu uns gelangen können. Denn die Galaxien sind nicht homogen im Universum verteilt, sie neigen dazu, sich in Galaxienhaufen zusammenzuballen. Zwischen diesen Galaxienhaufen gibt es dann so genannte Filamente, lang gezogene Strukturen, die wie Brücken zwischen den Galaxienhaufen fungieren. Warum diese Struktur so und nicht anders ist und warum auch die Galaxien in sich große „Löcher“ haben, wo fast nichts ist, ist einer der zentralen Forschungsschwerpunkte von Extragalaktikern wie der Wissenschaftergruppe um Sabine Schindler.

Via Internet. Möglich sind solche Forschungen nur, wenn die Wissenschafter Beobachtungszeit im VLT-Teleskop in Chile zugeteilt bekommen, was für Astronomen und Astrophysiker aus dem Nichtmitgliedsland Österreich immer schwieriger wird (siehe auch das Interview auf Seite 117). Beobachtungszeit heißt nicht, dass der betreffende Forscher nach Chile reisen muss. Moderne Anlagen wie die am Paranal erfordern so viel Fachkenntnis, dass sie nur von langjährig vor Ort tätigen Spezialisten bedient werden können. Astronomen, welche die Anlage für ihre Forschungen nutzen wollen, formulieren ihre Beobachtungsprojekte via Internet und bekommen Monate später die gewünschten Daten zur Auswertung.

Astronomen und Astrophysiker wollen im Detail verstehen, wie das Universum entstanden ist, welche Prozesse darin ablaufen und ob wir in diesem sich immer weiter ausdehnenden Gebilde allein sind oder ob es außer uns noch anderes intelligentes Leben gibt – was manche Forscher rein rechnerisch für sehr wahrscheinlich halten. Wenn es da draußen eine gar nicht plausibel darstellbare Zahl von Sonnen und rund um sie Planeten gibt, dann müsste wohl der eine oder andere Ort darunter sein, an dem die Bedingungen ähnlich günstig waren wie auf unserem Planeten.

Aber es gibt genügend andere Forscher, die glauben, dass dies eher unwahrscheinlich ist. Zu viele ideale Parameter müssten zusammenkommen, um ähnlich günstige Bedingungen für die Entwicklung höheren Lebens zu schaffen, wie sie auf der Erde herrschen. Unser Planet bewegt sich in einem Abstand zur Sonne, der im Zusammenwirken mit dem Treibhauseffekt eine Erderwärmung auf wohnliche Temperaturen erlaubt. Das Magnetfeld der Sonne bewirkt, dass unser Zentralgestirn beständig Teilchenströme ins Universum entlässt. Ohne diesen Vorgang wäre die Sonne auf das 200fache ihrer heutigen Größe angewachsen, und es ist leicht auszumalen, dass dann die Erde, wenn überhaupt, nur noch als kochende Kugel existierte.

Die Anziehungskraft des Mondes wiederum steuert die Gezeiten, die verhindern, dass große Meeresflächen vereisen. Riesige Eisflächen würden große Teile des Sonnenlichts ins All zurückwerfen und so zur immer weiteren Abkühlung des Planeten führen. Noch wichtiger erscheint eine andere Funktion des Erdtrabanten: „Der Mond stabilisiert die Erdachse, sonst würde diese um bis zu 90 Grad taumeln“, erklärt die Wiener Astronomin und Firnberg-Stipendiatin Elke Pilat-Lohinger, „die Bedingungen auf der Erde würden sich chaotisch entwickeln, sodass ein Leben unmöglich wäre.“

Astrophysiker haben errechnet, dass die Sonne noch Milliarden Jahre weiterstrahlen wird. Erst in der letzten Lebensphase wird sie ihr Volumen derart vergrößern, dass die Erde in der Sonnenatmosphäre verglühen wird.