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(Bildnachweis: ESOB. Tafreshi (twanight.org), Logo: Hannah Rose Brayshaw-Williams)

Die letzten 25 Jahre waren, wenn überhaupt, die Ära des Megateleskops, eine Ära, die in den 1990er Jahren begann. Bis dahin war das größte optische Teleskop der westlichen Hemisphäre das 5,1-Meter-Hale-Teleskop, das 1949 auf dem Mount Palomar in Kalifornien gebaut und von Edwin Hubble in den Jahren vor seinem Tod genutzt wurde. Ein sowjetisches Teleskop namens BTA-6 übertraf es 1975 um einen Meter (39 Zoll) – aber in den folgenden 40 Jahren wurden die größten bodengebundenen Teleskope alle in der Klasse zwischen 4 und 5 Metern gebaut.

Es gab Gründe, warum Teleskope über vier Jahrzehnte lang an eine gläserne Decke stießen – Wortspiel beabsichtigt -. Einer dieser Gründe war, dass die Glasspiegel von Riesenteleskopen in der Regel unglaublich schwer waren und aus dickem Glas bestanden, um sie unempfindlich gegen Windböen, thermische Ausdehnung oder die Erschütterungen eines Erdbebens zu machen. Würden die Spiegel noch größer, würden sie unter ihrem eigenen Gewicht durchhängen, die Form des Spiegels verformen und die Sicht des Teleskops unscharf machen.

In den 1980er Jahren wurde dann eine leichtere Glasspiegeltechnologie entwickelt, vor allem von John Hill und J. Roger Angel an der Universität von Arizona in Tucson. Anstatt einen massiven Glasbrocken für die Herstellung eines Teleskopspiegels zu verwenden, bauten sie eine leichte Wabenstruktur aus Keramikfasern, fügten zerbrochene Glasbrocken hinzu und schmolzen das Glas dann in einem Ofen, während sie es auf einem Drehteller drehten. Durch die Kombination von Zentrifugalkraft und Schwerkraft erhielt der fertige Spiegel eine parabolische Form, die dank der inneren Wabenstruktur sowohl leicht als auch steif war.

In den 1990er Jahren war es möglich, Spin-Cast-Spiegel mit einem Durchmesser von bis zu 8,4 m (331 Zoll) herzustellen, und plötzlich konnten viel größere Observatorien gebaut werden. Doch noch bevor Observatorien in der Lage waren, diese Technologie zu nutzen, hatten mehrere andere Observatorien die Beschränkungen großer Spiegel umgangen, um eine Technologie der Zukunft zu nutzen: segmentierte Spiegel, die aus kleineren sechseckigen Abschnitten gebildet wurden, die nicht unter demselben Problem des hohen Gewichts und des Durchhängens des Spiegels litten; sie waren auch leicht zu transportieren und ermöglichten viel größere Teleskopöffnungen.

Das riesige 10-Meter-Teleskop Keck I auf dem inaktiven Vulkan Mauna Kea auf Hawaii war 1993 das erste, das diese segmentierte Technologie verwendete und eine doppelt so große Öffnung wie das Hale-Teleskop bot. Keck II folgte 1996, ebenso wie das 9,8 m große Hobby-Eberly-Teleskop am McDonald Observatory in Texas, das ebenfalls ein segmentiertes Design verwendet.

Der Bau dieser Teleskope leitete den Wettlauf um den Bau riesiger bodengebundener Teleskope in der Klasse von 8-10 m ein. Das japanische Subaru-Teleskop mit 8 m (315 Zoll), das auf dem Mauna Kea 1999 das Licht der Welt erblickte, die 8,1-m-Teleskope Gemini North und South (319 Zoll) in den Jahren 1999 bzw. 2001 und die vier 8,2-m-Teleskope des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte auf dem Cerro Paranal in Chile, die jeweils zwischen 1998 und 2000 das Licht der Welt erblickten, entstanden genau zu der Zeit, als kosmischeweiten.de selbst ins Leben gerufen wurde.

Die 4 Teleskope des Very Large Telescope auf dem Cerro Paranal in der chilenischen Atacamawüste. (Bildnachweis: ESO)

Seitdem sind mehrere kleinere Großteleskope auf den Markt gekommen: das Large Binocular Telescope mit zwei 8,4-m-Spiegeln in Arizona im Jahr 2004, das 9,2-m-Großteleskop in Südafrika im Jahr 2005 und das riesige Gran Telescopio Canarias auf den Kanarischen Inseln mit 10,4 m Durchmesser im Jahr 2006, das derzeit das größte optische Teleskop der Welt ist.

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Das wird nicht mehr lange so bleiben.

Der segmentierte 10-Meter-Spiegel eines der Keck-Teleskope. (Bildnachweis: W. M. Keck Observatory/Ethan Tweedie)

Das Gran Telescopio Canarias war das letzte Teleskop der 8-10-Meter-Klasse, das gebaut wurde. Seitdem richtet sich die Aufmerksamkeit der Astronomen auf die nächste Generation von extrem großen Teleskopen mit Öffnungen von Dutzenden von Metern Durchmesser. Das 39 Meter große Extremely Large Telescope (ELT) der Europäischen Südsternwarte wird derzeit auf dem Berg Cerro Armazones in Chile gebaut und soll bis zum Ende dieses Jahrzehnts das erste Licht sehen. Sein Pendant wird eines der beiden Teleskope, wenn nicht sogar beide, sein: das Thirty Meter Telescope (TMT) und das Grand Magellan Telescope (GMT). Letzteres wird mit sieben 8,4 Meter breiten Spiegeln ausgestattet sein und eine Gesamtöffnung von 25,4 Metern haben.

Das im Bau befindliche Extremely Large Telescope vor dem Hintergrund eines Sonnenaufgangs über der Atacama-Wüste. (Bildnachweis: E. Garcés/ESO)

Eine künstlerische Darstellung des fertigen Extremely Large Telescope, das mehrere Laserleitsterne für seine adaptive Optik in den Himmel schießt. (Bildnachweis: ESO/L. Calçada)

Jagd nach Exoplaneten

Puh! Das sind eine Menge Mega-Teleskope seit den 1990er Jahren. Ist es ein Zufall, dass in den 1990er Jahren auch einer der größten Wachstumsbereiche der Astronomie begann, nämlich die Suche nach und die Charakterisierung von Exoplaneten?

Nein, das ist es nicht, meint Aprajita Verma, Projektwissenschaftlerin für das Extremely Large Telescope an der Universität von Oxford.

„In den letzten 20 oder 30 Jahren hat uns die Entdeckung extrasolarer Planeten wirklich zu der höheren räumlichen Auflösung und Empfindlichkeit gebracht, die größere Öffnungen mit sich bringen“, so Verma gegenüber kosmischeweiten.de.

Das Gemini-Nord-Teleskop auf dem Mauna Kea in Hawaii. Es hat einen Zwilling, Gemini South, in Chile. (Bildnachweis: Internationales Gemini-Observatorium/NOIRLab/NSF/AURA/J. Chu/J. Pollard)

Die ersten Exoplaneten um sonnenähnliche Sterne wurden 1995 entdeckt. Um mehr Exoplaneten zu finden, sind keine großen Teleskope erforderlich – dazu sind weitaus kleinere Teleskope in der Lage. Was wir jedoch brauchen, sind große Öffnungen mit ausreichender Empfindlichkeit, um mit der Charakterisierung dieser fremden Welten zu beginnen, zunächst durch Spektroskopie ihrer Atmosphären und in zunehmendem Maße durch direkte Bildgebung; mit anderen Worten, wir müssen klare Bilder von Exoplaneten machen. Im Jahr 2005 wurde das erste direkte Bild eines Exoplaneten mit dem NACO-Instrument des VLT aufgenommen, einer Kombination aus dem Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) und dem Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA).

Das VLT verwendet derzeit das Instrument SPHERE (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research), das speziell für die Abbildung junger, warmer und großer Exoplaneten entwickelt wurde – sozusagen kleine Jupiter. Es verwendet einen so genannten Koronagraphen, der so genannt wird, weil er ursprünglich von Sonnenastronomen verwendet wurde, um das grelle Licht der Sonne abzublocken und die Sonnenkorona zu sehen, die normalerweise nur bei totalen Sonnenfinsternissen sichtbar ist. Der Koronagraph blendet das Licht des Muttersterns eines Planeten aus, so dass SPHERE die viel schwächere Welt neben dem Stern entdecken kann. Auf diese Weise hat SPHERE zum Beispiel das erste Bild eines Mehrplanetensystems aufgenommen, das im Jahr 2020 einen anderen Stern wie die Sonne umkreist.

Die Keck-Zwillingsteleskope feuern die Laser ihrer adaptiven Optiken in die Nacht. (Bildnachweis: Ethan Tweedie Photography, mit freundlicher Genehmigung des W. M. Keck Observatoriums)

Allerdings ist eine direkte Abbildung derzeit nur bei größeren Welten möglich, die aufgrund der noch von ihrer Geburt herrührenden Wärme im Infrarotlicht hell leuchten. Der am wenigsten massereiche Exoplanet, der mit SPHERE abgebildet wurde, ist AF Leporis b, der die dreifache Masse des Jupiters hat.

Es ist ein weiter Weg, um Planeten mit Erdmasse abzubilden.

Das Ziel ist jedoch, dies eines Tages zu erreichen und vielleicht einen erdgroßen Planeten, der sich ebenfalls in der bewohnbaren Zone seines Sterns befindet, direkt abzubilden.

Es ist jedoch nicht sicher, dass die nächste Generation von bodengestützten Teleskopen dazu in der Lage sein wird. „Ein direkter Nachweis ist wirklich schwierig, weil das Kontrastverhältnis zwischen dem hellen Stern und den sehr schwachen Planeten extrem hoch ist“, so Verma. „Aufgrund seiner großen Öffnung hat das ELT die größte Chance, Gesteinsplaneten und möglicherweise auch erdähnliche Planeten zu entdecken, mehr als das TMT und GMT. Allerdings erfordert es eine Korrektur der atmosphärischen Störungen mit adaptiver Optik, die eine echte Herausforderung darstellt.“

Das erste direkte Bild eines Exoplaneten mit der Bezeichnung 2M1207b, aufgenommen mit dem Very Large Telescope im Jahr 2005. (Bildnachweis: W. M. Keck Observatory/Ethan Tweedie)

Adaptive Optik

Adaptive Optik ist einer der Faktoren, die diese Riesenteleskope möglich machen. Die Atmosphäre unseres Planeten ist für eine klare Himmelsbeobachtung nicht gerade förderlich. Astronomen müssen bei der Himmelsbeobachtung vor allem darauf achten, wie „ruhig“ die Atmosphäre ist. Die nachteiligen Auswirkungen sind am Funkeln der Sterne zu erkennen, da aufsteigende Wärmeströme Turbulenzen in der Atmosphäre erzeugen. Dies führt dazu, dass jedes Teleskop, unabhängig von seiner Größe, ein Himmelsobjekt nur begrenzt auflösen kann, wobei die maximale Auflösung bei etwa 0,5 Bogensekunden liegt.

Da die adaptive Optik diese Einschränkung umgehen kann, hat sie in den 1990er Jahren dazu beigetragen, dass Teleskope der 8- bis 10-Meter-Klasse möglich wurden; ohne adaptive Optik wären diese großen Teleskope weit unter ihren Möglichkeiten geblieben. Die Idee der adaptiven Optik besteht darin, dass ein Teleskop auf einen Leitstern fokussiert – entweder einen echten Stern, der hell genug ist, oder einen künstlichen Stern, der durch das Abfeuern eines Laserstrahls in den Himmel erzeugt wird. Ein Wellenfrontsensor ist dann in der Lage, das Licht dieses Leitsterns zu lesen, das aufgrund von Turbulenzen überall flimmern würde, und Computer können dann winzige Aktuatoren auf einem Sekundär- oder Tertiärspiegel steuern, die den Spiegel veranlassen, sich im Millisekundenbereich zu verbiegen, um den Turbulenzen entgegenzuwirken und ein klareres Bild des Leitsterns – und damit auch dessen, was das Teleskop sonst noch betrachten könnte – mit einer weitaus höheren Auflösung zu erzeugen.

Das ist die Grundlage für die Funktionsweise der adaptiven Optik, die es großen bodengebundenen Teleskopen wie Keck und dem VLT ermöglicht hat, sich in den letzten 25 Jahren den Fähigkeiten des Hubble-Teleskops im Weltraum anzunähern. Und dies ist sicherlich ein guter Weg, um Riesenwelten weit entfernt von ihrem Stern abzubilden. Um erdgroße Planeten in der bewohnbaren Zone ihres Sterns direkt abzubilden, ist jedoch etwas noch Spezielleres erforderlich: extreme adaptive Optik.

„Die extreme adaptive Optik hat eine höhere Ordnung der Korrektur für die atmosphärischen Turbulenzen, und das erlaubt es, das notwendige Kontrastverhältnis zu erreichen [um die schwachen Planeten neben ihren hellen Sternen zu sehen] “, sagt Verma. „Um Anzeichen von Leben auf erdgroßen Planeten zu finden, brauchen wir eine Kombination aus großen Aperturen und dieser extremen adaptiven Optik.“

Bau größerer Teleskope

Die Frage, wie groß Teleskope gebaut werden können, ist eine Frage der Technik, der Herstellung, des Transports und der Schwerkraft. Acht Meter (315 Zoll) sind ungefähr so groß wie ein einzelner Teleskopspiegel, der mit dem von John Hill und J. Roger Angel entwickelten Spin-Cast-Verfahren hergestellt werden kann. Und selbst wenn einzelne Spiegel, die größer sind als diese, gegossen werden könnten, wäre es physisch schwierig, sie auf einen Berg zu transportieren. Die Schwerkraft würde außerdem dazu führen, dass größere Einzelspiegel mit der Zeit durchhängen und sich verformen. Segmentierte Spiegel, wie sie bei den Keck- und Gran Telescopio Canarias-Teleskopen verwendet werden, sind viel einfacher herzustellen und zu transportieren, sinken nicht unter ihrem Gewicht durch und bilden einen strukturell besser abgestützten Spiegel.

Eine weitere Entwicklung, die dazu beigetragen hat, dass die Teleskope des letzten Vierteljahrhunderts möglich wurden, ist die so genannte aktive Optik. Diese ist nicht mit der adaptiven Optik zu verwechseln. Statt die Unschärfe durch atmosphärische Turbulenzen zu beheben, ist die aktive Optik so konzipiert, dass sie die Unschärfe infolge von Spiegelverformungen oder -erschütterungen behebt.

Wie bereits erwähnt, verwendeten die frühen Großteleskope wie das Hale-Teleskop klobige Glasstücke für ihre Spiegel, die so dick waren, dass sie durch den heulenden Wind oder das Beben eines kleinen Erdbebens nicht leicht verformt werden konnten. Die leichteren, größeren Spiegel, ob aus Schleuderguss oder aus Segmenten, sind jedoch anfälliger für geringfügige Verformungen bei Vibrationen. Selbst wenn die Verformungen winzig sind, würden sie ausreichen, um den Spiegel unscharf werden zu lassen. Um dies zu kompensieren, werden an der Unterseite des Spiegels eines Teleskops computergesteuerte Aktuatoren angebracht, die die Form des Spiegels so anpassen und neu einstellen können, dass er den Fokus beibehält, wenn ein Windstoß das Teleskop anstößt. Das System wird als aktive Optik bezeichnet, weil die Aktuatoren ständig in Betrieb sind und innerhalb von Sekunden auf kleinste Veränderungen der Spiegelform reagieren.

Was bedroht die Wissenschaft des großen Teleskops?

Die Wissenschaft, die mit diesen Großteleskopen betrieben wird, ist nicht nur auf Exoplaneten beschränkt. Die Lichtstärke ihrer großen Öffnungen ermöglicht es ihnen, das frühe Universum zu erforschen, insbesondere spektroskopisch, um zu erfahren, wie Galaxien in den ersten Milliarden Jahren der kosmischen Geschichte entstanden sind. Sie können auch die Sternentstehung in nahen Galaxien oder die Auswirkungen der Rückkopplung aktiver schwarzer Löcher in Galaxien auf die Sterne und das interstellare Gas in ihrer Umgebung untersuchen. Großteleskope werden eingesetzt, um das Nachleuchten von Gammastrahlenausbrüchen und Kilonovas aufzuspüren und um zu untersuchen, wie die dunkle Energie die Expansion des Universums beeinflusst.

Allerdings ist die zukünftige astronomische Forschung in diesen Bereichen in Gefahr.

Forschungen von Wissenschaftlern der Universität Bern und des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) Planeten im Jahr 2022 haben gezeigt, dass die Standorte vieler unserer grössten optischen Teleskope – die Kanarischen Inseln, Chile, Hawaii usw. – bis Mitte dieses Jahrhunderts einen Anstieg der Temperatur und des Wassergehalts (und damit der Wolkenbedeckung) in der Atmosphäre erleben werden, da sich das globale Klima vor allem durch menschliche Aktivitäten erwärmt. Dies wird die Zahl der klaren Nächte verringern, das Risiko von Kondensation auf dem Spiegel eines Teleskops in der Nacht erhöhen und die Luftturbulenzen innerhalb und in unmittelbarer Nähe der Teleskopkuppel verstärken, ganz zu schweigen von hoch oben am Himmel, wo die adaptive Optik Überstunden machen muss.

Satellitenkonstellationen können große Probleme für große optische Teleskope bedeuten, wie dieses Bild des 4m Victor M. Blanco Teleskops am Cerro-Tololo Inter American Observatory zeigt. (Bildnachweis: NSF’s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory/CTIO/AURA/DELVE)

Aber wenn der Klimawandel nicht ausreicht, um die Arbeit unserer großen Observatorien zu behindern, könnten Satellitenkonstellationen möglicherweise der letzte Nagel in ihrem Sarg sein. Derzeit befinden sich etwa 10 000 aktive Satelliten im Weltraum, von denen viele in den letzten Jahren im Rahmen von Satellitenkonstellationen wie Starlink gestartet wurden, und Zehntausende weitere sollen noch gestartet werden. Schon jetzt stören diese Satelliten die astronomischen Beobachtungen, denn ihre Spuren ruinieren die Bilder, wenn sie lautlos durch das Sichtfeld eines Teleskops fliegen. Dies wurde zu Beginn dieses Jahrzehnts deutlich, als Bilder von Teleskopen wie dem Victor M. Blanco 4-Meter-Teleskop am Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile Dutzende von Satellitenspuren zeigten, die selbst kurze Aufnahmen des Teleskops verstopften. Software kann diese Spuren bis zu einem gewissen Grad entfernen, aber sie bereiten den Astronomen großes Kopfzerbrechen.

Je größer Ihr Teleskop ist, desto weniger Probleme bereiten die Satelliten jedoch in den meisten Fällen. Das liegt daran, dass mit zunehmender Öffnung das Gesichtsfeld in der Regel kleiner wird. Das macht durchaus Sinn – man baut größere Teleskope, um kleinere Objekte oder kleinere Details in Objekten zu sehen. Es ist wie eine vergrößerte Ansicht, die einen kleineren Bereich des Himmels abdeckt. Eine Ausnahme bildet das Vera C. Rubin-Observatorium in Chile, das über ein 8,4-Meter-Teleskop verfügt, das ein weites Sichtfeld (3,5 Grad) hat, um den gesamten Nachthimmel alle paar Tage detailliert zu vermessen und nach Asteroiden, Supernovae, aktiven schwarzen Löchern und anderen Transienten zu suchen.

Schätzungen zufolge könnten bis zu 50 % seiner Beobachtungen durch Satellitenkonstellationen beeinflusst werden, wenn er in ein paar Jahren mit astronomischen Beobachtungen beginnt.

„Wenn die Satellitennetzwerke so bleiben, wie sie jetzt sind, glaube ich nicht, dass es ein großes Problem für das ELT wäre, denn je kleiner das Sichtfeld wird, desto geringer ist der Einfluss der Satelliten“, sagte Verma. „Aber wenn die Dinge so weitergehen wie bisher, wird die Zukunft der bodengebundenen Astronomie in Frage gestellt werden. Es könnte sein, dass unsere einzige Option darin besteht, Astronomie vom Weltraum aus zu betreiben.“

Sollte dies geschehen, wäre die Ära der bodengebundenen Mega-Teleskope mit großer Öffnung, die die optischen Astronomie in den letzten 25 Jahren dominiert hat, tatsächlich vorbei. Zwar werden die besten Ergebnisse immer noch aus dem Weltraum erzielt, aber das James Webb Space Telescope hat fast 10 Milliarden Dollar gekostet, während das ELT etwa 1,6 Milliarden Dollar kosten wird. Astronomie aus dem Weltraum ist teuer, daher wird es nur wenige Weltraumteleskope geben, so dass viele Astronomen auf der ganzen Welt keinen einfachen Zugang zu einem großen Teleskop haben.

Es ist fast unerträglich, darüber nachzudenken. Die letzten 25 Jahre waren ein goldenes Zeitalter für die optische Astronomie, wie die Berichte auf kosmischeweiten.de über diesen Zeitraum zeigen. Wenn wir unser 50-jähriges Jubiläum feiern, werden wir hoffentlich nicht über den Tod der bodengebundenen Astronomie sprechen, sondern über all die erstaunlichen neuen Entdeckungen, die sie gemacht hat.