Fernrohr wurde vor 400 Jahren erfunden:
Neues Zeitalter mit Neutrino-Astronomie

Das Fernrohr wurde vor 400 Jahren erfunden. Mit dem „Inter­nationalen Jahr der Astronomie“ beginnt ein neues Zeitalter: Die Neutrino-Astronomie wird den Erdball als Filter nutzen, um mit höchster Präzision bis an den Beginn des Universums zu schauen.

Durch die Erde hindurch ins Universum blicken? Das kann nur ein Hörfehler oder ein Hirngespinst sein! Und doch wird das Undenkbare schon bald Realität: Tief in den Eispanzer der Antarktis bohren derzeit Ingenieure Löcher, um in die frisch gebohrten kalten Röhren Präzisionsinstrumente zu versenken. Die Messgeräte sollen Neutrinos einfangen oder registrieren – Elementarteilchen, die alles durchdringen, jede Art von ­Materie, ja sogar den menschlichen Körper, ohne dabei Spuren zu hinterlassen. Diese Elementarteilchen stammen aus den entferntesten Winkeln des Universums. Sie durchmessen nicht nur den scheinbar freien Raum, sondern auch Sterne, Gala­xien, Planeten und folglich auch die Erdkugel. Wenn es gelänge, diese Teilchen auf eine Art Foto- oder Festplatte zu bannen, das Bild festzuhalten, das sie vom fernen Kosmos liefern, dann könnten Astronomen tatsächlich durch den Erball hindurch bis in die entfernten Tiefen des Universums blicken, mit einer bisher nicht gekannten Präzision.

So kehrt die Astronomie, die in den vergangenen Jahren ins Weltall ausgezogen war, um ohne die störenden Einflüsse der Atmosphäre klarer ins Universum zu blicken, wieder auf die Erde zurück. Gerade laufen Versuche, das in die Jahre gekommene und ein wenig aus seiner Bahn geratene Weltraumteleskop „Hubble“ doch noch zu retten. Immerhin lieferte es den Astronomen viele Jahre lang Bilder von fernen Galaxien in einer Klarheit, wie man sie bis dahin nicht gekannt hatte. Ingenieure der US-Weltraumagentur NASA basteln derzeit an der Konstruktion des Hubble-Nachfolgers „James Webb Space Telescope“, eines gut 3,4 Milliarden Euro teuren Weltraumteleskops, das im Jahr 2013 seinen Dienst antreten soll.

Ende einer Wissenschaftsepoche. Und doch geht mit dieser weltraumgestützten Technologie unweigerlich ein astronomisches Zeitalter zu Ende. Seit Galileo Galilei vor 400 Jahren mit dem ersten Fernrohr in den Himmel geblickt und damit das Zeitalter der beobachtenden Astronomie begründet hatte, konnten die Astronomen mithilfe einer immer ausgefeilteren Fernrohr- und Teleskoptechnologie immer tiefer ins Universum blicken. Die allgestützte Technologie war der letzte Schritt dieser wissenschaftlichen Epoche. Je weiter nun die Wissenschafter in die Vergangenheit des Universums vordringen wollen, desto mehr ziehen sie sich wieder auf die Erde zurück. Und nunmehr sogar in die Erde. Denn mit der Neutrino-Technologie wird der Planet selbst zum Teleskop.

Dabei wirkt die Erdkugel als Filter: Sie hält störende Einflüsse fern, so wie ein Fotograf mit einem Farbfilter vor dem Objektiv unerwünschtes Licht ausblendet. Das Eis der Antarktis spielt dabei eine ähnliche Rolle wie der Film in einer Kamera. Technische Verstärker machen das von den Neutrinos gelieferte Bild für den Menschen sichtbar. Das ehrgeizige Projekt, das so sehr nach Science Fiction klingt, heißt „IceCube“ und soll im kommenden „Internationalen Jahr der Astronomie“ so weit fertig gestellt sein, dass es im Jahr 2010 seinen Betrieb aufnehmen kann. Mit zahlreichen Veranstaltungen erinnert das Jahr der Astronomie an die bahnbrechenden Erkenntnisse der großen Astronomen Johannes Kepler und Galileo Galilei, die vor 400 Jahren ein neues, revolutionäres Weltbild schufen (www.astronomie2009.at).

Möglicherweise wird auch die Neutrino-Technologie unser Bild vom Universum verändern, wenn die geheimnisvollen Teilchen von bisher unbekannten Eigenschaften der Materie und der Energie berichten. „Pro Sekunde prallen auf jeden Quadratzentimeter 60 Milliarden Neutrinos auf“, erklärt Ronald Weinberger, Professor am Ins­titut für Astrophysik und Teilchenphysik der Universität Innsbruck. Die Winzlinge fliegen ungehindert und unbemerkt durch die Materie, weshalb sie auch nur äußerst schwer nachzuweisen sind. Doch gelegentlich kollidieren sie doch mit Materieteilchen und machen sich dabei durch schwache Lichterscheinungen bemerkbar.

Erde als Filter. Im Jahr 2004 startete nahe der Amundsen-Scott-Station am Südpol die erste Bohrung für das Projekt IceCube. In einem Raum von einem Kubikkilometer sollen bis in eine Eistiefe von knapp 3000 Metern 4800 Sensoren versenkt werden. Diese sollen die begehrten Teilchen aufzeichnen. Dabei werden nur solche Neutrinos erfasst, die den Planeten schon durchquert haben. Störende Einflüsse durch die pausenlos niederprasselnde kosmische Strahlung, die zum Verwechseln ähnliche Licht­erscheinungen verursacht, werden durch die Erdmasse herausgefiltert. Kosten des unterirdischen US-Teleskops mit europäischer Beteiligung: mehr als 240 Millionen Euro.

Entdeckt werden sollen damit Neutrinos, die als etwa 13,7 Milliarden Jahre alte Zeitzeugen des Urknalls und der Zeit danach immer noch mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durchs Weltall rasen. Ebenso Neutrinos aus Sternenexplosionen (Supernovae), so genannten Energie-Jets und Schwarzen Löchern. „Es gibt noch vieles zu entdecken und zu verstehen“, sagt Weinberger. So besteht das Universum nur zu vier Prozent aus den heute bekannten Teilchen. 23 Prozent sind Dunkle Materie und 73 Prozent Dunkle Energie. Das Attribut „dunkel“ lässt vermuten, dass die Astrophysiker nicht den blassesten Schimmer davon haben, worüber sie da eigentlich reden. „Stimmt“, sagt Rolf Landua, Teilchen- und Astrophysiker am europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf, etwas verlegen und konkretisiert: „Wir wissen, dass wir 96 Prozent des Universums nicht verstehen.“

Sicher ist nur so viel: Da viele Galaxien schneller rotieren, als es ihre Massen beziehungsweise unsere Naturgesetze erlauben, muss wohl eine zusätzliche Schwerkraft die Sternenhaufen zusammenhalten. Und da nach irdischem Wissen nur Masse für Gravitation sorgt, muss auch Masse da sein. Da sie sich aber hartnäckig dem Nachweis ihrer Existenz entzieht, bezeichnet sie die Astronomie als etwas Dunkles, noch Unbekanntes. Ähnlich verhält es sich mit der Dunklen Energie. Sie muss überall im Kosmos vorhanden sein, sonst könnte sich das Universum nicht seit Milliarden von Jahren mit wachsender Geschwindigkeit ausdehnen. Auch muss die Dunkle Energie der Dunklen Materie unter die Arme greifen. Denn Berechnungen der Gravitation zwischen Galaxien ergeben, dass die Dunkle Materie maximal 25 Prozent der erforderlichen Materie ausmachen kann. Die Gravitation muss sich die fehlende Masse also nach Albert Einsteins berühmter Formel E = mc2 von der Dunklen Energie leihen. Sonst geht gar nichts.

Das ist auch das Grundproblem unseres heutigen Weltbilds: Die Wissenschaft muss all ihre Naturgesetze, Postulate, Konstanten und Vermutungen vorne in das Modell stecken, damit hinten jenes Universum herauskommt, das Astronomen beobachten können. Die beobachtende ­Astronomie hält also nicht nur nach neuen Erkenntnissen Ausschau, sie benutzt ihre Teleskope auch zum Nachweis der Theorien.

Bessere Technik. Die meisten dieser Teleskope werden auf der Erde gebaut, aus einem einfachen Grund: „Einerseits wird die notwendige Technik und Optik immer besser“, erklärt Astrophysiker Weinberger, „andererseits müssen die Geräte immer größer werden, um noch näher an den Urknall heranzukommen. Und solche Observatorien, die einen Kuppeldurchmesser von 40 Metern und mehr haben, kriegt man nicht in den Orbit.“ Heute aus technischen Gründen, morgen aus finanziellen. So pflanzt die Europäische Südsternwarte (ESO) auf einem chilenischen Bergplateau den Teleskopgarten „Atacama Large Millimeter Array“ (ALMA): Ab 2011 soll das aus fahrbaren Einzelantennen bestehende Interferometer für Millimeterwellen die Entstehungsgebiete von Planeten und Sternen in kalten interstellaren Wolken erforschen. Die Millimeterwellen sind besonders dazu geeignet, ausgedehnte Gas- und Staubwolken zu durchdringen, welche die Geburtsstätten von Sternen und Planeten verhüllen.

Das „Extremly Large Telescope“ (ELT) wiederum, das die ESO bis zum Jahr 2017 in Betrieb nehmen will, soll das auf dem chilenischen Bergplateau Paranal errichtete „Very Large Telescope“ (VLT) ablösen. Das ursprünglich geplante „Overwhelmingly Large Telescope“ hätte laut Machbarkeitsstudie mehr als eine Milliarde Euro gekostet und wäre viel zu komplex gewesen. Wo das ELT mit seinem Hauptspiegel von 42 Meter Durchmesser stehen wird, ist noch unklar. Das VLT ist derzeit das Teleskop, mit dem man am weitesten ins Universum blicken kann: etwa 13,2 Milliarden Lichtjahre. Es besteht aus vier Spiegeln, von denen jeder einen Durchmesser von fast zehn Metern hat. Ein computergesteuertes Unterstützungssystem gleicht ständig die Verbiegungen der Spiegel aus, die durch deren Eigengewicht entstehen. Jeder der vier Spiegel kann einzeln ins All schauen, aber sie lassen sich auch miteinander koppeln.

Mit dem von Galileo Galilei vor 400 Jahren gebauten ersten Fernrohr zur Himmelsbeobachtung, das aus einer Röhre mit zwei Linsen bestand, haben diese Geräte nichts mehr zu tun. Neben dem sichtbaren Lichtspektrum, das die Spiegelteleskope einfangen, werden auch andere Strahlen genutzt. Ultraheiße Nebel etwa senden energiereiche Strahlungen aus, die sich am besten mit Gamma- oder Röntgenteleskopen beobachten lassen. Kühle Gaswolken hingegen, die primär Wasserstoff ins All schleudern, sieht man am besten mit Radioteleskopen. Und für ganz normale Sterne genügt ein Spiegelteleskop.

Aber warum müssen diese Teleskope immer größer und noch größer sein? „Weil wir mit jedem neuen, größeren Teleskop um nochmals 100 Millionen Lichtjahre weiter sehen können und damit noch näher an den Big Bang herankommen“, sagt Weinberger. Und dann? „Dann gibt es hoffentlich Antworten auf eine Vielzahl von Fragen.“ Zum Beispiel: Ist das Universum zyklisch? Gibt es noch andere Universen?

Antworten auf solche Fragen würden nicht nur die Wissenschaft revolutionieren, sie hätten auch zutiefst philosophische Implikationen. Nicht nur einmal sei ein gültiges Weltbild von Himmelsforschern mit ihren Fernrohren zum Einsturz gebracht worden, erinnert Weinberger an die Geschichte. Astronomie reiche an die Wurzeln des Seins und Werdens und erlaube sogar Ausblicke in die Zukunft: „In spätestens sieben Milliarden Jahren wird die Erde von der Sonne geschluckt, die bis dahin hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehen wird, der unter gigantischem Druck zusammengepresst wird – letztlich wird die Menschheit samt ihrem Heimatplaneten also zu einem riesigen Diamanten werden.“

Von Andreas Feiertag