Weltraumteleskop Herschel: Erfolgreiches erstes Jahr für deutsche Forscher

Es war ein Bilderbuchstart: Am 14. Mai 2009 trug eine Ariane-5-Rakete das ESA-Weltraumteleskop Herschel (und das Satellitenobservatorium Planck) in den Himmel über Französisch-Guyana. In Deutschland wurde der Herschel-Start mit besonders großer Spannung verfolgt: Deutsche Forscher zeichnen für eines der drei Beobachtungsinstrumente an Bord verantwortlich und sind an einem weiteren maßgeblich beteiligt.

Neun der 42 großen Herschel-Beobachtungsprogramme werden von Forschern deutscher Institute geleitet [1]. Einen Monat später lieferte Herschel erste Aufnahmen – und begeisterte die Forscher: „Bereits das erste Bild einer Spiralgalaxie, das wir aufnehmen konnten, übertraf unser aller Erwartungen“, sagt Dr. Albrecht Poglitsch vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, der die Entwicklung und den Bau des Herschel-Beobachtungsinstruments PACS leitete. Im Gegensatz zum Hubble-Weltraumteleskop, das sichtbares Licht und benachbarte Wellenlängen nachweist, beobachtet Herschel im Bereich der fernen Infrarotstrahlung. Damit sieht das Teleskop vor allem die Wärmestrahlung besonders kalter Materie, beispielsweise kalter Molekül- und Gaswolken.

Jetzt, ein Jahr nach dem Start, lässt sich eine Bilanz der ersten wissenschaftlichen Ergebnisse ziehen. Herschels neue Einblicke ins kalte Weltall sind besonders für diejenigen Forscher interessant, die sich mit der Entstehung neuer Sterne beschäftigen. So konnte Herschel die früheste bekannte Entwicklungsphase von Sternvorläufern beobachten: Materie in Gas- und Staubwolken, die unter dem eigenen Schwerkrafteinfluss zusammengefallen ist, sich dabei aber noch nicht nennenswert aufgeheizt hat. Dr. Oliver Krause (Max-Planck-Institut für Astronomie), der Leiter dieses Beobachtungsprogramms, sagt: „Mit Herschels leistungsfähigen Wärmekameras können wir tiefer in die verborgenen Geburtsstätten der Sterne hinein sehen als je zuvor.“ [2] Herschels Spektrometer HIFI wiederum lieferte neue Erkenntnisse zur Zusammensetzung der Molekülwolken, aus denen Sterne entstehen. So konnte das Instrument in solchen Wolken erstmals das Molekül Oxidaniumyl („Wasser, dem ein Elektron fehlt“) nachweisen, „Diese Molekülsorte ist noch nie zuvor außerhalb unseres Sonnensystems beobachtet worden“, erklärt Prof. Dr. Jürgen Stutzki von der Universität zu Köln, „und sie spielt eine zentrale Rolle in der Sauerstoffchemie in interstellaren Wolken.“ [3]

Auch außerhalb unserer Heimatgalaxie gibt es Neuigkeiten. Herschel-Beobachtungen zeigten, dass die schwache Infrarotstrahlung, die die Erde aus allen Himmelsrichtungen erreicht, zum größten Teil von einzelnen, rund 11 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxien stammt. Das erlaubt Einblicke in die Entwicklungsgeschichte dieser Galaxien [4]. Noch weiter hinaus geblickt hat Herschel bei Untersuchungen der entferntesten bekannten Galaxien, so genannten Quasaren, deren Licht rund 13 Milliarden Jahre lang zur Erde unterwegs war. In diesen Objekten konnte erstmals kalter Staub nachgewiesen werden. Das gibt den Auftakt zu systematischen Studien, aus denen die Forscher sich Erkenntnisse über die Sternentstehung im frühen Universum versprechen [5].

Prof. Dr. Thomas Henning vom Max-Planck-Institut für Astronomie resümiert: „Bereits im ersten Jahr hat uns Herschel faszinierende Einblicke ins kalte Weltall ermöglicht. Wir sind sehr gespannt auf die weiteren Beobachtungen!“

Endnoten

[1] Instrumente: PACS und HIFI, vgl. die Hintergrundinformationen. Angaben zu den großen Herschel-Beobachtungsprogrammen (“Observing Key Programs”) finden sich auf http://herschel.esac.esa.int/Key_Programmes.shtml

[2] Beobachtungsprogramm „EPOS“, Oliver Krause (Max-Planck-Institut für Astronomie) et al.

[3] Gemeinsames Ergebnis der Beobachtungsprogramme „WADI“, Volker Ossenkopf (Universität zu Köln) et al., „HEXOS“, Edwin Bergin (Universität Michigan, USA) et al., und „CHESS“, Cecilia Ceccarelli (Laboratoire d'Astrophysique de Grenoble) et al.

[4] Beobachtungsprogramm „PEP“, Dieter Lutz (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik) et al. Die betreffenden Galaxien haben Rotverschiebungen um z=3. Die erwähnte Infrarotstrahlung sollte nicht mit der „kosmischen Hintergrundstrahlung“ verwechselt werden.

[5] Beobachtungsprogramm „Staub im frühen Universum“, Klaus Meisenheimer (Max-Planck-Institut für Astronomie) et al. Die Quasare haben Rotverschiebungen um z=6.

Hintergrundinformationen

Die hier zusammengefassten Forschungsergebnisse werden im Rahmen der ESA-Konferenz „Herschel First Results Symposium“ vorgestellt, zu der sich vom 4. bis 7. Mai 2010 rund 400 Forscher in Nordwijk in den Niederlanden zusammen gefunden haben. Die zugehörigen Fachartikel sind zur Veröffentlichung im Herschel-Sonderband der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics akzeptiert.

Herschel ist ein Eckstein-Programm der Europäischen Weltraum-Agentur ESA. Das Satellitenteleskop wurde am 14. Mai 2009 gestartet. Die Dauer der Mission wird mindestens dreieinhalb Jahre betragen. Herschel ist an einem sogenannten „Lagrangepunkt“ stationiert, 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Von dort aus gesehen stehen Erde und Sonne – Störquellen, deren starke Infrarotstrahlung Herschel meiden muss – immer beide in derselben Richtung; das Weltraumteleskop „dreht ihnen den Rücken zu“ und beobachtet in die entgegengesetzte Richtung. (Zum Vergleich: Das Weltraumteleskop Hubble fliegt nur knapp außerhalb der Erdatmosphäre in 575 Kilometern Höhe.)

Herschel wurde von einem Konsortium unter der Leitung von Thales Alenia Space gebaut. Für das Nutzlastmodul zeichnete die deutsche Firma Astrium (Friedrichshafen) verantwortlich. Mit 3,5 Metern Spiegeldurchmesser ist Herschel das derzeit größte Teleskop im All (zum Vergleich: das Weltraumteleskop Hubble hat einen Spiegeldurchmesser von 2,4 Metern). Das Teleskop wird vom European Mission Operations Centre (ESOC) in Darmstadt aus gesteuert. Neun der 42 großen Beobachtungsprogramme, die Herschel durchführt, werden von Forschern deutscher Institute geleitet.

Die drei Beobachtungsinstrumente des Teleskops sind in internationaler Partnerschaft entstanden:

PACS („Photodetector Array Camera & Spectrometer“), eine Kombination aus astronomischer Kamera und Spektrograf, misst bei Wellenlängen zwischen 57 und 210 μm. Das Gerät wurde von einem Konsortium unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching entwickelt und gebaut. Wichtige Beiträge kamen vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

HIFI („Heterodyne Instrument for the Far-Infrared“), das leistungsfähigste je für Beobachtungen im fernen Infrarotbereich entwickelte hochauflösende Spektrometer, entstand unter der Leitung des niederländischen Institute for Space Research. HIFI nimmt Messungen im Frequenzbereich zwischen 500 und 1900 GHz vor. Wesentliche Beiträge von deutscher Seite leisteten das I. Physikalische Institut der Universität zu Köln, das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Lindau. Prof. Jürgen Stutzki (Universität zu Köln) koordiniert als Co-PI bei HIFI die deutschen Instrumentenbeiträge.

SPIRE („Spectral and Photometric Imaging Receiver“) kann Himmelsaufnahmen in Wellenlängenbändern um 250, 350 und 500 μm erstellen und Spektren im Bereich zwischen 200 und 670 μm aufnehmen. Die Kamera-Spektroskop-Kombination wurde von einem Konsortium unter Leitung der Universität Cardiff gebaut.

Die an der Entwicklung der Instrumente beteiligten astronomischen Institute erhalten im Gegenzug Beobachtungszeit, die sie z.B. für systematische Beobachtungsprogramme nutzen.