Weltraumforschung: Galaxien am Rande des Beobachtbaren

Weltraumforschung : Galaxien am Rande des Beobachtbaren

Ganz fern: Das Max-Planck-Institut für Radioastronomie arbeitet an Verfahren für den Blick ins tiefe Universum.

"Der Weltraum. Unendliche Weiten. Viele Lichtjahre von der Erde entfernt dringt die Enterprise in Galaxien vor, die nie ein Mensch zuvor gesehen hat." Das stimmte vielleicht noch vor fast 50 Jahren, als die beliebte Fernsehserie "Raumschiff Enterprise" startete.

Aber heute? Damals begeisterten sich Astronomen, wenn sie mit optischen Teleskopen Quasare untersuchen konnten, Auf den ersten Blick wirken sie wie Sterne; man fand aber heraus, dass es sich dabei um die Kerne von aktiven Galaxien in großer Entfernung handelt. Heute gilt der Blick Galaxien am Rande des Beobachtbaren als Herausforderung - und die Forscher dringen immer weiter in die Nähe des Urknalls, den Wissenschaftler auf eine Zeit vor rund 13,7 Milliarden Jahre datiert haben. Genau das ist das "Kerngeschäft" von Professor Anton Zensus, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Sein Spezialgebiet: Radiointerferometrie mit langen Basislinien (Very-Long-Baseline Interferometrie, VLBI).

Interferometrie bezeichnet den Zusammenschluss von mehreren Teleskopen zu einem virtuellen Riesenteleskop, um noch weiter hinaus ins Universum zu blicken und Bilder hoher Auflösung aus fernen Galaxien zu bekommen. Ein Beispiel: Ein einzelnes großes Radioteleskop wie das 100-m-Teleskop bei Bad Münstereifel-Effelsberg hat für Radiowellen von drei Zentimeter Wellenlänge eine Auflösung von etwa einer Bogenminute, was in etwa der Auflösung des menschlichen Auges entspricht. Eine Bogenminute ist der sechzigste Teil eines Winkelgrads oder anders ausgedrückt: Sie entspricht ungefähr dem Winkel, den ein Kreis von einem Meter Durchmesser aus einer Entfernung von 3440 Metern ergeben würde. Das ist etwa so, als würde man aus 70 Metern Entfernung noch ein Cent-Stück erkennen. Astronomisch: Für einen Beobachter auf der Erde erstreckt sich der Mond über einen Winkelbereich von rund 31 Winkelminuten. Das VLA (Very Large Array) in New Mexico zum Beispiel, das 27 Radioteleskope zusammenschließt, erreicht eine Auflösung von bis zu 0,04 Bogensekunden (arcsec). Das bedeutet, man könnte einen Golfball aus 150 Kilometern Entfernung ausmachen. Das reicht für das Forschungsgebiet von Zensus aber noch nicht aus.

In der VLBI wird über ein Netz mehrerer Teleskope Strahlung von extragalaktischen Radioquellen aufgezeichnet und mit Hilfe von Atomuhren mit einem Zeitstempel versehen. Die Zeitabweichung zwischen den einzelnen Atomuhren an den jeweiligen Teleskopen ist geringer als eine millionstel Sekunde. Das ist wichtig, weil die Magnetbandaufzeichnungen später gemeinsam von einem Zentralrechner im Bonner Institut ausgewertet werden. Mit dem VLBI erreicht man so üblicherweise eine Auflösung von rund 0,001 Bogensekunden. Zur Anschauung: Bei dieser Auflösung könnte man von der Erde aus einen Fußball auf dem Mond erkennen.

Solch eine Koordinierung der Beobachtungen, die die Fachleute "scheduling" nennen, erfordert eine sehr genaue Planung, weil genau geregelt sein muss, welches Radioteleskop wann welche Quelle beobachtet. Bei rund 50 weltweit verteilten Teleskopen und einigen tausend bisher bestimmten Radioquellen ist das eine sowohl organisatorische als auch wissenschaftliche Herausforderung.

Jetzt hat ein Team des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie unter Leitung von Professor Zensus gemeinsam mit Kollegen des Astro Space Center in Moskau die 100-Meter-Schüssel in Effelsberg und das weltraumgebundene Satellitenteleskop Spektr-R miteinander kombiniert und die Antennen auf das Objekt BL Lacertae, den Kern einer etwa 900 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie, gerichtet. Das Projekt lieferte Bilder in einer Auflösung von rund 40 Millionstel Bogensekunden. Fast kaum vorstellbar - immerhin entstand durch die Kombination der Teleskope eine virtuelle Antenne von bis zu 350.000 Kilometern Durchmesser. Das entspricht schon fast der Entfernung von der Erde zum Mond.

In den Galaxienkernen vermutet man "supermassive Schwarze Löcher" mit der Masse mehrerer Millionen bis zu einer Milliarde Sonnenmassen. "Dort herrschen physikalische Zustände, die sich bisher nicht erklären lassen, wie etwa, dass dort Materie gleichzeitig eingesogen und ausgestoßen wird", so der 55-jährige Institutsdirektor. Nach dem so genannten Standardmodell der aktiven Galaxienkerne sammelt sich die eingebundene Materie im Schwerefeld des Schwarzen Lochs und wird in einer sich immer schneller drehenden Akkretionsscheibe in einer Umlaufbahn gehalten. Mit der Zeit verliert es aber an Drehimpuls, strahlt Energie in Form von elektromagnetischen Wellen ab und stürzt dem Schwarzen Loch entgegen. Einem kleinen Teil der Materie gelingt es aber zu entweichen. In so genannten Jets werden senkrecht zur Akkretionsscheibe Teilchen mit annähernder Lichtgeschwindigkeit aus dem Zentralgebiet der Galaxie herausbefördert. Zensus: "Doch die genauen Vorgänge sind noch nicht verstanden, was im Wesentlichen daran liegt, dass Aktive Galaktische Kerne mit Durchmessern in der Größenordnung unseres Sonnensystems vergleichsweise klein sind. Die riesigen Entfernungen der Galaxien, die sie beheimaten, führen dazu, dass es zurzeit nur eine Möglichkeit gibt, diese Objekte mit astronomischen Beobachtungsinstrumenten abzubilden: Die radioastronomische Technik der Very-Long-Baseline Interferometrie."

Im Mai vergangenen Jahres ist es einem internationalen Team unter Federführung von Wissenschaftlern des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie gelungen, die Zentralregion eines Quasars in großer Entfernung mit bisher unerreichter Schärfe abzubilden. Auf der Basis der VLBI-Beobachtungsmethode haben die Forscher drei Radioteleskope in Chile, Hawaii und Arizona zusammengeschaltet und so das bisher schärfste Bild von einer mehr als fünf Milliarden Lichtjahre entfernten aktiven Galaxie, des hellen Quasars 3C 279 mit einem zentralen schwarzen Loch mit der milliardenfachen Masse der Sonne, gewonnen - "ein Meilenstein bei der Erforschung von super-massereichen schwarzen Löchern und ihrer unmittelbaren Umgebung", so Zensus.

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