Blick in die Gefriertruhe des Universums

Die Teleskop-Anlage ALMA liefert den Astronomen Bilder von frischen Planeten, jungen Sternen und fernen Galaxien

Die Astronomen haben ein neues Fenster ins All: Die Teleskopanlage ALMA, die jetzt offiziell in Betrieb ging. Dieses Atacama Large Millimeter/submillimeter Array steht auf der chilenischen Hochebene von Chajnantor und wird in der letzten Ausbaustufe Ende des Jahres insgesamt 66 Antennen umfassen. Astronomen des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie arbeiten bereits mit diesem mächtigen Instrument. Und sie hatten großen Anteil an Entwicklung und Bau eines Prototyps.

Hier oben, 5100 Meter über dem Meeresspiegel, ist die Luft kalt, klar und trocken. Vor allem diese letzte Eigenschaft macht das Hochland in der chilenischen Atacama-Wüste zu einem der besten Beobachtungsplätze der Welt. Denn will man in die staubigen, kühlen Regionen des Universums spähen, darf kein irdischer Wasserdampf die Sicht stören. Insbesondere Sauerstoff schwächt die Radiowellen an der Grenze zum Infrarotlicht und verschleiert die Bilder kosmischer Welten. Der ungetrübte Blick entlohnt die Astronomen für das mühsame Leben auf der Chajnantor-Hochebene.

Nicht zu unrecht sprach ALMA-Direktor Thijs de Graauw vor mehr als 500 geladenen Gästen bei der offiziellen Eröffnung des Observatoriums von „den unzähligen Stunden harter Arbeit durch unsere Wissenschaftler und Techniker“. Die Anlage sei mit keiner anderen zu vergleichen und das höchstentwickelte Millimeter- und Submillimeter-Teleskop der Gegenwart.

In der endgültigen Konfiguration umfasst ALMA 54 Antennen mit jeweils 12 Metern und 12 Antennen mit je sieben Metern Durchmesser. Jede einzelne Schüssel sammelt die Strahlung aus dem All und fokussiert sie auf einen Empfänger. Anschließend werden die Signale aller Teleskope zusammengeführt und in einem Supercomputer, dem ALMA-Korrelator, für die Weiterverarbeitung aufbereitet. Das Array kann seine Form ändern, das heißt, die 66 Antennen lassen sich in unterschiedlichen Konfigurationen auf der Hochebene anordnen; dabei bugsieren die Techniker die Teleskope in Entfernungen zwischen 150 Metern und maximal 16 Kilometern zueinander.

ALMA beobachtet das All in einem Licht, das für das menschliche Auge unsichtbar ist. Dieser Submillimeterbereich ist eine aus astronomischer Sicht vergleichsweise wenig gut erkundete Region des elektromagnetischen Spektrums. Für die Astronomen ist dieser Bereich jedoch sehr wichtig: Hier offenbart sich das kalte Universum. Strahlung dieser Art senden insbesondere die ausgedehnten kalten Molekülwolken aus, die sich im interstellaren Raum befinden und deren Temperaturen nur wenige Zehntel Grad über dem absoluten Nullpunkt (- 273,15 Grad Celsius) liegen.

Im Innern solcher Gas- und Staubwolken entstehen neue Sterne. Die Forscher nutzen den Submillimeterbereich, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Wolken zu erkunden. Im Bereich des sichtbaren Lichts betrachtet, erscheinen diese kosmischen Regionen aufgrund des hohen Staubgehalts undurchsichtig. Im Millimeter- und Submillimeterlicht dagegen lüftet sich der Schleier, und es treten hell leuchtende Strukturen hervor.

Auch die entferntesten und jüngsten Galaxien zeigen sich überwiegend in diesem Bereich des Spektrums – nicht, weil sie besonders kalt wären, sondern weil die Wellenlängen des Lichts, das sie aussenden, durch die Expansion des Universums gedehnt worden ist. Dabei verschiebt sich die Strahlung vom sichtbaren in den langwelligen Submillimeter- oder Millimeterbereich.

ALMA zeigt aber nicht nur die Geburtsszenarien der Sterne, Babygalaxien oder die Entwicklung neuer Planeten um ferne Sonnen in bisher unerreichter Detailschärfe. Die Wissenschaftler wollen damit auch die Verteilung von bekannten Molekülen – viele von ihnen notwendig für das Leben – im interstellaren Raum analysieren und neue Moleküle finden.

Die Geschichte des Observatoriums reicht in die 1980er-Jahre zurück. Damals diskutierten Astronomen in Europa, den USA und in Japan über getrennte Vorhaben; erst zehn Jahre später verschmolzen sie zu einem einzigen Projekt. Der Bau begann dann 2003. Die Gesamtkosten für ALMA belaufen sich auf 1,4 Milliarden US-Dollar, von denen die Europäische Südsternwarte (ESO) 37,5 Prozent trägt.

Bevor ALMA zu arbeiten begann, sah APEX im Juni 2005 das erste Licht – mit einem Antennendurchmesser von 12 Metern damals das größte Submillimeter-Teleskop auf der Südhalbkugel der Erde. Dieses Atacama Pathfinder Experiment besitzt eine extrem genau geformte Oberfläche: Die maximale Abweichung der Schüssel von der Parabelform liegt bei weniger als 17 Mikrometern (17 Tausendstel Millimeter). Das ist geringer als ein Fünftel des Durchmessers eines menschlichen Haares.

Gleichzeitig mit Konstruktion und Aufbau des APEX-Teleskops starteten die Forscher ein aufwendiges Entwicklungsprogramm für die bestmöglichen Detektoren. So kamen bei den ersten Beobachtungen hochauflösende breitbandige FFT-Spektrometer zum Einsatz, die von der Abteilung für Submillimeter-Technologie am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie entwickelt wurden.

In einigen Monaten möchten die Wissenschaftler APEX mit einem neuen Empfänger ausrüsten, der ebenfalls aus den Werkstätten der Bonner Radioastronomen stammt. Die haben das Teleskop in Zusammenarbeit mit dem Onsala Space Observatory und der ESO gebaut und in den vergangenen Jahren einige wichtige Ergebnisse gewonnen, etwa die Verteilung eines seltenen Moleküls (D₂H⁺) gemessen oder Details in der kompakten Staubscheibe um den massereichen Stern IRAS 13481-6124 beobachtet.

HOR