Das Hubble-Weltraumteleskop
Mit dem nach dem amerikanischen Astronomen Edwin Hubble (1889-1953) benannten Hubble-Weltraumteleskop (englisch »Hubble Space Telescope«, Abkürzung HST), das 1990 gestartet wurde, ist es zum ersten Mal möglich geworden, den Sternenhimmel ohne den störenden Einfluss der Erdatmosphäre zu beobachten. Obwohl der Hauptspiegel mit 2,2 Metern weniger als halb so groß ist wie die damals größten irdischen Teleskope, hat das Weltraumteleskop von einer großen Zahl von Objekten Bilder in bisher einmaliger Klarheit und Auflösung geliefert.
Die volle Leistungsfähigkeit erlangte das Teleskop allerdings erst, als 1993 bei einer Wartungsmission eine Zusatzoptik zur Korrektur von Herstellungsfehlern des Hauptspiegels angebracht wurde. Weitere Wartungsmissionen wurden 1997 und im Dezember 1999 durchgeführt, die nächste ist für 2002 geplant.
Der störende Einfluss der Erdatmosphäre
Immer wenn die Astronomen optische Beobachtungen durchführen oder fotografische Platten auswerten, werden sie mit dem Einfluss der Erdatmosphäre auf derartige astronomische Beobachtungen konfrontiert. Die Erdatmosphäre beeinflusst das sie durchlaufende Sternenlicht in vielfältiger Weise. Durchquert ein Lichtstrahl diese Schichten, bewirken turbulente Luftbewegungen und kleinräumige Dichtevariationen - und damit kleine Brechzahlunterschiede - geringe Helligkeits- und Richtungsänderungen.Das Resultat ist das bekannte Funkeln (»Szintillation«) der Sterne; bei lang belichteten astronomischen Aufnahmen sieht man statt punktförmiger Sterne Sternscheibchen. Das Auflösungsvermögen wird so auf etwa eine Bogensekunde begrenzt, obwohl große Teleskope ein viel besseres theoretisches Auflösungsvermögen besitzen (eine Bogensekunde ist ein 3600stel Grad; eine kleine Münze in etwas mehr als zwei Kilometern Entfernung hat gerade diesen Durchmesser).
Ein Teleskop im All
In den 1970er-Jahren begann die NASA, den Traum eines Weltraumteleskops, das von der Luftunruhe unbeeinflusst wäre, Wirklichkeit werden zu lassen. Um die Kosten zu reduzieren, entschied man sich für ein Teleskop von 2,2 Metern Durchmesser - deutlich weniger als die schon damals vorhandenen 5-Meter-Teleskope, aber dafür passte es genau in die Ladebucht des Spaceshuttles, dem Raumtransporter. Teleskope dieser Größenklasse waren zu dieser Zeit schon seit langem im Weltraum im Einsatz, allerdings nicht als Forschungs-, sondern nur als Spionagesatelliten.
Verzögerung durch die Challenger-Katastrophe
Um Reparaturen am Teleskop vornehmen und die Detektoren immer auf dem neuesten Stand der Technik halten zu können, war ursprünglich vorgesehen, das Teleskop alle fünf Jahre mit einem Shuttle zur Erde zu bringen, umzurüsten und wieder in die Umlaufbahn zurückzubringen. Zusätzliche Serviceflüge sollten alle zweieinhalb Jahre stattfinden. Der Start war für Mitte 1986 geplant.
Das Weltraumteleskop befand sich bereits zur Startvorbereitung auf der Abschussbasis, als am 28. Januar 1986 die Raumfähre Challenger beim Start explodierte. Dieses Unglück warf das amerikanische Raumfahrtprogramm und damit auch den Einsatz des Weltraumteleskops um Jahre zurück. Erst am 25. April 1990 konnte es endlich in seine Umlaufbahn gebracht werden. Als Konsequenz der Challenger-Katastrophe wurden die Sicherheitsvorkehrungen erheblich verstärkt, was zu einer deutlichen Kostensteigerung der Spaceshuttlestarts führte. Daher wurde beschlossen, das Weltraumteleskop während der auf fünfzehn Jahre ausgelegten Lebensdauer ausschließlich im Weltraum zu warten und umzurüsten.
Der »Knick in der Optik«
Das Weltraumteleskop wurde beim Bau mit einer hervorragenden Elektronik und exzellenten Zusatzinstrumenten versehen. Als man 1990 die ersten Bilder vom Teleskop empfing, zeigte sich jedoch: Statt gestochen scharfer Aufnahmen wiesen alle beobachteten Himmelskörper einen diffusen Lichthof auf. Es war unübersehbar, dass das Teleskop einen optischen Fehler aufwies. Der Teleskophauptspiegel war im Randbereich etwas zu flach. Eine Abweichung von nur zwei Mikrometern von der vorgeschriebenen Form genügte, um ein Milliarden Dollar teures Projekt an den Rand der Unbrauchbarkeit zu bringen! Da die theoretische Auflösung des Teleskops dennoch erreicht wurde und in diesen verzerrten Sternscheibchen immer noch die gesamte Information des Sternenlichts steckte, nutzte man zunächst aufwendige Computerprogramme, um die Bilder zu korrigieren.
Nachdem die Fehlerursache gefunden war, beschloss man, die für 1993 vorgesehene erste Wartungsmission zur Korrektur des Teleskops auszunutzen. Man konstruierte eine Korrekturplatte (»COSTAR«, kurz für englisch Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement), die in den Strahlengang eingebracht wurde und den Schleiffehler des Hauptspiegels korrigierte. Zudem wurde ein Zusatzgerät durch ein an den korrigierten Spiegel angepasstes Gerät ersetzt. Die mit der korrigierten Optik gewonnenen Bilder erreichen nun die erwartete Schärfe.
Wartung im Weltraum
Die erste Wartungsmission im Jahr 1993 bewies zweierlei: Sie zeigte, dass das Teleskop tatsächlich die hohen Erwartungen erfüllte, die man in es gesetzt hatte. Sie zeigte aber auch, dass die Wartung des Teleskops im Weltraum durchführbar war. Bei solch einer Wartungsmission wird das Teleskop mit dem Greifarm des Shuttles eingefangen und über die Ladebucht transportiert, wo neue Komponenten lagern und eingebaut werden können.
1997 wurde eine zweite derartige Mission durchgeführt. Bei ihr wurden unter anderem eine Infrarotkamera (NICMOS) und ein Spektrometer (STIS) eingebaut und nicht mehr benötigte Geräte wie der Faint Object Spectrograph (FOC) wieder zur Erde transportiert. Bei der Wartungsmission vom 19. Dezember 1999 wurden alle sechs Gyroskope (Kreiselkompasse), die der Positionierung dienen, ausgetauscht und eine Steuerungseinheit zur verbesserten Regelung der Stromversorgung eingesetzt. Auf der bereits geplanten nächsten - und wahrscheinlich letzten - Wartungsmission, die 2002 stattfinden soll, ist der Einbau des Cosmic Origins Spectrograph (COS) geplant. Er ist im fernen und nahen Ultraviolett empfindlich und dient dem Studium der interstellaren Materie und extragalaktischer Sternsysteme.
Die Instrumente des Weltraumteleskops
Das wichtigste Teil an Bord, der Hauptspiegel von 2,2 Metern Durchmesser, besteht aus einer Glaskeramik, die einen extrem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Dies bedeutet, dass sich der Spiegel bei Temperaturänderungen nur sehr wenig ausdehnt oder zusammenzieht. Im Gegensatz zu irdischen Teleskopen tritt das Weltraumteleskop etwa alle halbe Stunde in den Erdschatten ein und ist dabei Temperaturschwankungen von mehr als 100 Grad ausgesetzt. Dabei auftretende Verformungen würden die Abbildung verzerren und unbrauchbar machen. Zusätzlich wurde der Spiegel deshalb mit einer Heizung versehen, die die Temperaturschwankungen reduziert.
Das optische System ist vom Typ eines Ritchey-Chrétien-Teleskops (nach G. W. Ritchey, 1865-1945, und H. J. Chrétien, 1879-1956), bei dem der parabolische Hauptspiegel und der hyperbolische Sekundärspiegel so deformiert sind, dass für ein großes Gesichtsfeld eine optimale Abbildung erreicht wird.
Kameras
Das Hubble-Weltraumteleskop besitzt drei Kameras, die unterschiedlichen Zwecken dienen. Die Wide Field/Planetary Camera (WFPC) hat vier CCD-Detektoren (englisch Charge-Coupled Device, »Ladungsverschiebeelement«), die auch unabhängig voneinander nutzbar sind. Üblicherweise verwendet man sie allerdings gemeinsam, um großflächige Objekte wie Planeten, Gasnebel oder Sternsysteme zu beobachten. Bei der Wartungsmission 1993 ersetzte man die ursprüngliche Kamera durch eine neue, welche dieselben Aufgaben erfüllte wie ihre Vorgängerin, aber besser an das korrigierte optische System angepasst war.
Die Faint Object Camera (FOC), gebaut von der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA, besteht aus einem Lichtverstärker, dessen Bild von einer hoch empfindlichen Kamera gescannt wird. Diese Kamera ist so empfindlich, dass Objekte heller als 21 Größenklassen gedämpft werden müssen, um eine Überbelichtung zu vermeiden. (Ein Stern der 21. Größenklasse ist mehr als zweieinhalbmilliardenmal lichtschwächer als der hellste am Himmel sichtbare Stern, der Sirius; die lichtschwächsten, noch mit dem menschlichen Auge wahrnehmbaren Objekte haben eine Helligkeit von 6 Größenklassen.)
Die dritte Kamera, Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS), wurde bei der zweiten Wartungsmission installiert. Sie ermöglicht Beobachtungen im Infrarotbereich bei Wellenlängen zwischen 0,8 und 2,6 Mikrometern. Sie besteht ebenfalls aus mehreren Komponenten und Filtern, die auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können.
Spektrographen
Zusätzlich zu den Kameras sind noch Spektrographen an Bord, wie etwa der Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS), der das Licht der Himmelskörper spektral zerlegt und aufzeichnet. Aus der unterschiedlichen Intensität des Sternenlichts in verschiedenen Bereichen des Spektrums und den durch im Lichtweg vorhandene Gase verursachten Spektrallinien kann man viele Informationen gewinnen. Insbesondere Bewegungsverhältnisse, Druck und Temperatur, aber auch Magnetfelder und die chemische Zusammensetzung von Himmelskörpern können so untersucht werden. Der Empfindlichkeitsbereich dieses Instruments reicht vom nahen Ultraviolett, bei etwa 115 Nanometer, bis hin zum nahen Infrarot, bei etwa 1 050 Nanometer (ein Nanometer, Zeichen nm, sind 10-9 Meter).
Positionierung
Damit das Teleskop seine Aufgaben erfüllen kann, sind Positionierungseinrichtungen notwendig. Mehrere so genannte »Fine Guidance Sensors« (FGS) suchen sich Sterne in einem Bereich des Beobachtungsfeldes des Weltraumteleskops, der nicht von den Kameras überdeckt wird. Haben sie geeignete Sterne gefunden, überwachen sie deren Bewegung. Driftet das Teleskop aus seiner Position, so scheinen sich auch die Sterne auf dem Feld zu bewegen. Sobald vorgegebene Grenzen überschritten werden, gibt die Steuerelektronik einen Impuls an die sechs Gyroskope des Hubble-Teleskops, wodurch die Position korrigiert wird. Dadurch driftet das Teleskop während einer Beobachtung im Mittel nie mehr als 0,007 Bogensekunden aus seiner Position.
Höhepunkte bisheriger Beobachtungen
Mit dem Hubble-Weltraumteleskop wurde eine Reihe wesentlicher und auch Aufsehen erregender Resultate aus fast allen Bereichen der Astronomie gewonnen, von denen hier nur einige wenige genannt werden können. Zahlreiche der brillanten Abbildungen fanden seit dem Start des Weltraumteleskops ihren Weg in die Weltpresse. Zu den besonderen Forschungsschwerpunkten der Hubble-Astronomie gehören beispielsweise die Frage nach dem Alter des Universums, die Untersuchung Schwarzer Löcher und die Suche nach Planetensystemen.
Mit dem Hubble-Weltraumteleskop gelang unter anderem die bisher am weitesten reichenden Aufnahmen von zwei Himmelsarealen, den Hubble Deep Fields, die in jeweils vier Spektralbereichen realisiert wurden. Aufgrund der extrem langen Belichtungszeit von 10 Tagen konnten noch Himmelsobjekte der 29. und 30. Größenklasse abgebildet werden.
Das Alter des Universums
Die Frage nach dem Alter des Universums ist so alt wie die Astronomie selbst. Jedes Zeitalter hatte darauf eine eigene, meist mystisch begründete Antwort gefunden, doch erst Edwin Hubble, der Namensgeber des Weltraumteleskops, stellte diese Spekulationen auf eine messbare physikalische Grundlage. Er zeigte, dass aus den gemessenen Radialgeschwindigkeiten von Galaxien deren Entfernungen vom Milchstraßensystem berechnet werden können und dass diese aufgrund der kosmischen Expansion mit dem Alter des Universums zunehmen.
Die Datenbasis für diese Bestimmung konnte durch das Hubble-Teleskop enorm erweitert werden. So wurden zum Beispiel in einigen Sternsystemen des Virgo-Galaxienhaufens einzelne Delta-Cephei-Veränderliche entdeckt, mit deren Hilfe sich die Entfernung des Haufens und mit ihr die Entfernungsskala im Weltall genauer ermitteln lassen. Damit verbunden ist eine genauere Bestimmung der gegenwärtigen Expansionsgeschwindigkeit des Weltalls und eine bessere Festlegung des Weltalters. Beobachtungen von 800 Delta-Cephei-Veränderlichen in 18 Galaxien mit dem Hubble-Weltraumteleskop (1999) ergaben einen Wert von H0 = (70 ± 7) km/(s · Mpc). Der Hubble-Parameter H0 ist eine mit zunehmendem Weltalter veränderliche Größe; die Messungen beziehen sich auf das gegenwärtige Alter des Kosmos. Aus den Werten ergibt sich ein Alter des Universums zwischen 11 und 15 Milliarden Jahren.
Schwarze Löcher
Eine auch außerhalb von Kosmologie und Astronomie bekannte Konsequenz der allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins sind die so genannten Schwarzen Löcher. Diese alle Materie in ihrer Umgebung anziehenden und keinerlei Licht aussendenden Materieansammlungen können nur indirekt, durch Auswirkungen auf ihre Umgebung nachgewiesen werden. Lange blieb dieser Nachweis eine der schwierigsten Aufgaben der Astronomie.
Die Beobachtungen aktiver Galaxien und der von ihnen ausgehenden Materiestrahlen lassen Rückschlüsse über die ablaufenden physikalischen Prozesse zu, die sich in der Umgebung extrem massereicher Schwarzer Löcher, wie sie in den Galaxienkernen vermutet werden, abspielen. Durch Beobachtung der Geschwindigkeiten von Sternen und Gaswolken im innersten Bereich einiger Galaxien konnte nachgewiesen werden, dass in deren Zentrum mehr als 100 Millionen Sonnenmassen in einem Gebiet von der Größe des Sonnensystems konzentriert sind. Eine derartig hohe Dichte kann nur durch ein Schwarzes Loch, in diesem Fall ein »supermassereiches« Schwarzes Loch, verursacht werden.
Exoplaneten - Planeten außerhalb des Sonnensystems
Das Weltraumteleskop wurde nicht nur für weit entfernte Objekte eingesetzt, sondern auch für zahlreiche Beobachtungen innerhalb unseres Milchstraßensystems, etwa der Suche nach jungen Sternen und Planeten außerhalb des Sonnensystems.
Mit dem Hubble-Teleskop beobachtete man die »Geburtsorte« junger Sterne, aber auch neu entstandene Sternhaufen. Dabei entdeckte man zahlreiche Sterne, die von Staubscheiben umgeben sind. Genau solche Scheiben verlangt die Theorie als Voraussetzung für die Entstehung von Planeten. In einer solchen Staubscheibe konnten Unregelmäßigkeiten beobachtet werden, die beispielsweise durch einen oder mehrere junge Planeten hervorgerufen worden sind.
Supernovae
Die detaillierten Untersuchungen der Überreste der Supernova 1987 A, die in der Großen Magellanschen Wolke explodierte, ergaben tiefere Einblicke in die Wechselwirkungen der ehemaligen Sternmaterie mit der umgebenden interstellaren Materie.
Pluto und Shoemaker-Levy 9
Bei Beobachtungen von Objekten im Planetensystem konnten mit dem Hubble-Teleskop die ersten detaillierten Aufnahmen von der Oberfläche des Pluto, dem sonnenfernsten Planeten des Sonnensystems, gewonnen werden. Auf diesem Planeten, der kleiner ist als der Mond, konnten so zum ersten Mal einzelne Oberflächenstrukturen sichtbar gemacht werden.
Ein besonderes Schauspiel bot sich im Juni 1994 beim Einschlag des Kometen Shoemaker-Levy 9 auf dem Planeten Jupiter. Der Kern des Kometen war 1992 bei einem nahen Vorübergang an Jupiter in zahlreiche Fragmente zerbrochen. Die Einschläge der rund 20 Bruchstücke, die mit dem Hubble-Teleskop beobachtet wurden, erzeugten Störungen in der Jupiteratmosphäre; sie erreichten eine Größe von mehr als 3 000 Kilometern, was einem Viertel des Erdradius entspricht.
Die Zukunft nach dem Hubble-Weltraumteleskop
Es ist davon auszugehen, dass auch in der nahen Zukunft mithilfe des Hubble-Weltraumteleskops weitere, wesentliche Beobachtungen gewonnen werden können. Planmäßig wird das Weltraumteleskop um 2005 das Ende seiner auf fünfzehn Jahre ausgelegten Lebensdauer erreicht haben. Nach derzeitigem Stand ist die NASA allenfalls bereit, den Betrieb des Teleskops bis 2010 weiter zu finanzieren, allerdings auf einem weit niedrigeren Niveau als heute.
Bereits 2007 soll der sich zurzeit noch in der Planungsphase befindende Nachfolger des Hubble-Teleskops in eine Umlaufbahn gebracht werden. Dieses Teleskop - mit der (vorläufigen) Bezeichnung Next Generation Space Telescope (kurz NGST) - soll einen Spiegeldurchmesser von acht Metern besitzen, also mehr als das Dreifache des Hubble-Teleskops. Ein derartiges Instrument bedeutet eine enorme technologische Herausforderung, da der Spiegel möglicherweise aus Segmenten bestehen muss, die sich erst im Weltraum zum Hauptspiegel entfalten und dabei trotzdem eine optisch exakte Oberfläche bilden müssen. Geplant wird auch, das Teleskop weitab von der Erde, im so genannten Lagrangepunkt L2, zu platzieren. In dieser Position, die in Richtung der Marsbahn liegt, erscheint die Erde so klein, dass auch lange, nicht unterbrochene Beobachtungen eines Objekts möglich sind, was mit dem Hubble-Teleskop nicht realisierbar ist. Ob das NGST jemals gebaut wird, hängt entscheidend davon ab, wie viele Fragen das Hubble-Teleskop bis dahin klären, vor allem aber, wie viele neue astronomische Fragen es aufwerfen wird.