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Great funktioniert wie ein Radio für kosmische Signale

16.09.2011
Rolf Güsten über das Ferninfrarot-Spektrometer an Bord des Observatoriums Sofia

Den 6. April 2011 wird Rolf Güsten so schnell nicht vergessen. An jenem Tag absolvierte die fliegende Infrarot-Sternwarte Sofia ihren ersten Forschungsflug mit Great. Das unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie entwickelte Spektrometer nahm die Molekülwolke M 17 sowie die Galaxie IC 342 ins Visier. Für Projektleiter Güsten und sein Team war das nach langen Jahren der Vorbereitung ein besonderer Moment.


Bereit zum Take-off: Das Great-Team mit PhD-Student Oliver Ricken und Projektleiter Rolf Güsten (vorne rechts) sowie (stehend, von links) Stefan Heyminck vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Jürgen Stutzki, Karl Jacobs und Urs Graf (alle Universität Köln). © Rolf Güsten

Welche Gefühle bewegten Sie, als die ersten Ergebnisse eintrafen?

Erleichterung, Stolz und – ja – Erstaunen! Erleichterung, dass wir nach den oft nicht einfachen Jahren der Verzögerung im Projekt angekommen sind, es nun endlich losgeht. Stolz auf die Leistung unseres hoch motivierten Teams. Und ein wenig Überraschung, wie problemlos wir die ersten Photonen aus dem All detektieren konnten. Aufgrund der hohen Absorption durch den Wasserdampf in der terrestrischen Atmosphäre ist unser Spektrometer Great auf dem Erdboden blind für Signale aus dem Universum. Und so sorgfältig die Vorbereitung im Labor auch gestaltet wurde, es verblieb ein gehöriges Maß an Unsicherheit, wie die verschiedenen Module eines so komplexen Instruments, integriert mit dem Teleskop und der Infrastruktur eines fliegenden Observatoriums, dann letztlich zusammenspielen würden.

Was macht Great so besonders?

Great – der German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies – ist ein Detektor für hochauflösende Spektroskopie bei ferninfraroten Wellenlängen zwischen 60 und 250 Mikrometern, also Millionstel eines Meters. Great ist keine Kamera und liefert keine beeindruckenden Bilder astronomischer Objekte wie man sie etwa vom Weltraumteleskop Hubble kennt. Das Spektrometer analysiert die Frequenz­information des astronomischen Signals und arbeitet nach dem Heterodyn-Prinzip wie ein Analogradio, an das sich die älteren Leser vielleicht noch erinnern: Ähnlich wie der Hörer den Empfang auf die Frequenz des gewünschten Senders abzustimmen vermochte, lässt sich Great auf die Frequenz und damit die Wellenlänge des astronomischen Signals einrichten. Da nun jedes Atom und Molekül – auf der Erde wie im Weltraum – einen eindeutigen spektralen Fingerabdruck hinterlässt, ermöglicht Great somit die Atom- und Molekülspektroskopie des interstellaren Gases. Aufgrund des rasanten technologischen Fortschritts arbeitet Great mit noch vor zehn Jahren ungeahnter Präzision: Die Frequenzanalyse ist auf ein 100-millionstel genau, die Empfindlichkeit der Detektoren so gesteigert, dass eine Messung 1000-fach schneller abläuft als noch in den 1980er- Jahren mit Sofias Vorläufer, dem Kuiper Airborne Observatory.

„Jedes Fernrohr hat seinen Himmel“, lautet ein bekannter Spruch in der Astronomie. Wie sieht denn der Himmel für Great aus? Welche Objekte beobachtet das Instrument?

Die Domäne von Great ist die Spektroskopie des warmen Gases – sei es in den interstellaren Molekülwolken der Milchstraße, in ihren Nachbargalaxien, in denen neue Sterne entstehen, oder in den zirkumstellaren Hüllen entwickelter und in den Scheiben junger Sterne. Außerdem beobachtete Great auch die Atmosphären der Planeten und Monde des Sonnensystems. Die Reaktion der Nutzer auf die erste Ausschreibung für das Instrument spiegelte genau dieses breite Spektrum astronomisch relevanter Fragestellungen wider. Erst die hohe Durchlässigkeit der Atmosphäre auf der Flughöhe zwischen 12 und 15 Kilometern öffnet den Zugang zu den strahlungsintensivsten Linien des interstellaren Mediums: den Feinstruktur-Übergängen des ionisierten Kohlenstoffs, des ionisierten Stickstoffs und des atomaren Sauerstoffs, um nur einige wichtige zu nennen.

Und das Studium dieser Linien dient …

… dem Verständnis der Wärmebilanz des interstellaren Mediums. In sehr engen Frequenzbereichen wird ein immenser Teil der thermischen Energie des umgebenden Gases abgestrahlt – eine Voraussetzung dafür, dass sich letztendlich neue Sterne bilden können. Die Übergänge in den Grundzustand der wichtigsten Hydride, wie dem Hydroxyl-Radikal OH, emittieren aufgrund ihrer niedrigen Masse im Ferninfraroten. So haben wir einen Detektor von Great für die Untersuchung des Deuterium-Hydrids optimiert. Die Bestimmung der Deuteriumhäufigkeit wiederum ist für die Kosmologie von großem Interesse, da Deuterium in nennenswerter Menge nur während des Urknalls erzeugt wurde.

Ihr Ferninfrarot-Spektrometer ist eines von neun Instrumenten während der ersten Betriebsphase von Sofia. Wie gestaltete sich das Auswahlverfahren?

Mit Übergang der Verantwortung für die Inbetriebnahme von Sofia auf dem Nasa-Stützpunkt in Dryden bei Los Angeles wurde auch die Philosophie für die Inbetriebnahme überdacht: Die ersten wissen­schaftlichen Flüge sollten sich auf nur zwei Instrumente konzentrieren, interessierte Nutzer in diese frühe Phase aber bereits eingebunden werden. In einem vom damaligen Wissenschaftsdirektor Eric Becklin geleiteten Auswahlverfahren wurden Forcast, eine unter Federführung der Cornell University entwickelte Infrarotkamera, und Great ausgewählt. Der überwiegende Anteil an Beobachtungszeit wurde im freien Wettbewerb vergeben: Gutachter in den USA und in Deutschland empfahlen für die ersten Flüge eine beeindruckende Zahl hervorragender wissenschaftlicher Projekte. Great hat seit dem Erstflug am 6. April inzwischen elf Einsätze absolviert, im September sind weitere sechs geplant. Auch während der Flüge nach Deutschland zur Vorstellung von Sofia auf den Flughäfen in Köln-Bonn und Stuttgart kommt Great zum Einsatz.

Bringt die frühe Inbetriebnahme von Great Vorteile?

Durchaus. Während sich die anderen Instrumente teilweise noch im Bau befinden und in den kommenden Jahren schrittweise in das Observatorium integriert werden, hat für das Great-Konsortium die Zukunft schon begonnen: Motiviert durch den Erfolg – und wesentlich teilfinanziert durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt – ist die Entwicklung der nächsten Instrumentengeneration bereits angelaufen. Während Great mit nur einem Detektor beobachtet, wird das Empfängerarray namens upGreat mit 14 Detektoren gleichzeitig Photonen erfassen. Spätestens zum Frühjahr 2014 soll das neue Instrument die Empfängersuite auf Sofia ergänzen.

Great arbeitet ja nicht an einem festinstallierten, erdgebundenen Teleskop, sondern operiert in ungefähr 12 Kilometer Höhe. Welche Anforderungen muss das Instrument dafür erfüllen?

Konstruktiv, aber auch operativ ist der Betrieb eines Instruments auf Sofia eine gänzlich andere Herausfor­derung als an bodengebundenen Teleskopen. Bis zur Zertifizierung der Flugtaug­lichkeit durch die US-Bundesluftfahrtbehörde FAA war es ein langer Weg. Zunächst mussten wir den Nachweis des sicheren Betriebs unter den Vorgaben für ein ziviles Flugzeug erbringen. Bei Design und Konstruktion von Great konnten wir auf Erfahrungen zurückgreifen, die wir durch unsere Beteiligung an der Satellitenmission Herschel gemacht hatten. Übrigens bietet der Zugang zum Instrument auch während eines typischerweise zehnstündigen Flugs den unschätzbaren Vorteil, zeitnah Optimierungen am Instrument vorzunehmen, und – in Grenzen – selbst seine Konfiguration zu wechseln, um spezielle Experimente zu ermöglichen.

Das heißt, Great wird immer wieder anders eingestellt?

Ja. Zwischen den Flügen passen wir das Instrument regelmäßig den Anfor­derungen der wissenschaftlichen Beobachtungen an. Dabei bemühen wir uns, die eingesetzten Technologien auf dem jeweils neuesten Stand zu halten. Was auch bedeutet, dass das heute geflogene Great nur noch wenig gemein hat mit dem vor fünf oder zehn Jahren konzipierten Instrument.

Das Weltraum-Teleskop Hubble hat unsere Sichtweise des Universums revolutioniert. Ebenso brachte und bringt das Satellitenobservatorium Herschel viele neue Erkenntnisse. Was erwarten Sie in den nächsten Jahren von Sofia?

Die Ferninfrarot-Astronomie hat dank Herschel einen enormen Aufschwung erfahren und in vielen Bereichen unser Bild des infraroten Universums gewandelt. Aber der Heliumvorrat des Satelliten wird im Laufe des nächsten Jahres verbraucht sein und damit diese Mission zum Ende kommen. Dann geht Sofia in volle Operation und wird mit einer Lebensspanne von 20 Jahren in absehbarer Zukunft das einzige Ferninfrarotfenster ins All sein. Die technologischen Möglichkeiten in diesem Frequenzbereich entwickeln sich rasant. In den kommenden Jahren werden daher Instrumente mit noch vor kurzem ungeahnten Möglich­keiten zum Einsatz kommen. Mit Great ist bereits heute hochauflösende Ferninfrarot-Spektroskopie jenseits von zwei Terahertz möglich. Hochempfindliche heterodyne Empfänger wie upGreat werden rasch zum Einsatz kommen, Ferninfrarot-Kameras mit Zehntausenden Detektoren der neusten Technologien erscheinen am Horizont. Es liegt auch in unseren Händen, Sofia in die Liste der großen Observatorien wie Hubble einzureihen.

Interview: Helmut Hornung

Ansprechpartner
Dr. Rolf Güsten
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Telefon: +49 228 525-383
E-Mail: rguesten@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Rolf Güsten | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/4420931/great

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