Weltraumteleskope: eine andere Art der Bildgebung

Vor nicht allzu langer Zeit hat die NASA offiziell die erste Serie von Fotos veröffentlicht, die vom Webb-Weltraumteleskop aufgenommen wurden. Einer davon war ein Galaxienhaufen SMACS0723, der Tausende von Galaxien enthält. Dabei wurden Galaxien erfasst, die schwächer leuchten als jene auf den Extremely Deep Field-Fotos des Hubble-Weltraumteleskops. Es handelt sich um das bisher von Menschenhand aufgenommene, am weitesten entfernte und klarste Bild des Weltraums. Wie also machen Weltraumteleskope diese Bilder von weit entfernten Galaxien? Worin besteht der Unterschied zum Fotografieren mit unseren herkömmlichen Kameras?

Schematische Darstellung des Webb-Teleskops

Bodenfotografie wird stark von der Atmosphäre beeinflusst

Der deutsche Philosoph Kant sagte einmal: „Es gibt zwei Dinge, über die sich das Staunen und die Ehrfurcht, die sie in meiner Seele hervorrufen, umso mehr verändern und von Tag zu Tag wachsen, je tiefer und beharrlicher ich darüber nachdenke. Dies sind der Sternenhimmel über meinem Kopf und das moralische Gesetz in meinem Herzen.“

Die menschliche Natur ist voller Neugier und Sehnsucht nach dem Sternenhimmel, und wir möchten unbedingt mehr Geheimnisse und Erkenntnisse verstehen, aber die Beobachtungsfähigkeit des bloßen Auges ist zu schwach. Ausgehend vom einfachen Teleskop aus der Zeit Galileis hat der Mensch unzählige erdgebundene Teleskope gebaut. Derzeit bauen europäische und amerikanische Länder erdgebundene Teleskope mit extrem großer Apertur der 30- und 40-Meter-Klasse, die die menschliche Sicht auf das Universum erheblich erweitern werden.

Allerdings stellt die komplexe und sich ständig verändernde Atmosphäre ein Hindernis für Beobachtungen mit erdgebundenen Teleskopen dar. Selbst wenn wir über Ferngläser oder günstige astronomische Teleskope verfügen, werden wir häufig von Wetterbedingungen wie Wolken, Regen, Nebel und Wind gestört. Die durch atmosphärische Turbulenzen verursachten Störungen führen nicht nur dazu, dass die mit bloßem Auge sichtbaren Sterne ständig flackern, sondern lassen sie im Teleskop auch noch heftiger flackern und springen.

Unter Seeing versteht man die Klarheit des Bildes im Teleskop, anhand derer sich der Störungsgrad atmosphärischer Turbulenzen messen lässt. Beeinflusst durch das Seeing liegt die Auflösungsgrenze erdgebundener Teleskope bei etwa 1 Bogensekunde, was viel kleiner ist als die Beugungsgrenze des Teleskops.

Mit dem Aufkommen der adaptiven Optik stellt das Sehen kein unüberwindbares Hindernis mehr dar, doch die Absorption von Lichtwellen in vielen Bändern durch die Atmosphäre macht erdgebundene Teleskope hilflos. Die dichte Atmosphäre hat Lichtwellen im Infrarot- und anderen Frequenzbereich absorbiert und die schnelle Expansion nach dem Urknall führte dazu, dass das Sternenlicht im frühen Universum stark in den Infrarotbereich verschoben wurde. Egal wie groß das erdgebundene Teleskop ist, es ist machtlos.

Schematische Darstellung des Webb-Teleskops

Um klarer und tiefer zu sehen und mehr Geheimnisse des Sternenhimmels und des Universums zu verstehen, haben Wissenschaftler die Idee vorgeschlagen, ein Weltraumteleskop zu starten. Auf diese Weise werden sie nicht länger durch die Atmosphäre gestört und die optischen Fähigkeiten großer Teleskope können maximiert werden.

Mit Kameras am Boden machen Menschen Bilder vom Sternenhimmel. Ob es sich nun um die Kameras von Mobiltelefonen, Spiegelreflexkameras und Teleskopen oder um die Superteleskope und Hochleistungs-CCD-Sensoren handelt, die von Wissenschaftlern verwendet werden, sie können das von der Atmosphäre absorbierte Infrarotlicht nicht sehen und können im Gegensatz zum Hubble-Weltraumteleskop auch nicht das entfernte und schwache Sternenlicht aus der Frühzeit des Urknalls sehen.

Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche Bildgebung

Optische Teleskope können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: Brechungs-, Reflexions- und gemischte katadioptrische Systeme. Die gängigsten und am häufigsten verwendeten optischen Teleskope sind Handykameras und SLR-Kameraobjektive, die zur Bilderzeugung das Prinzip der Brechung nutzen. Obwohl das refraktive optische System einfach und zuverlässig ist, weist es auch unvermeidliche Probleme auf: chromatische Aberration und Gewicht.

Im refraktiven optischen System durchdringt das Licht den konvexen Linsenkörper, was eine hohe Lichtdurchlässigkeit der Linse erfordert. Allerdings weist das lichtdurchlässige Material für Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedliche Brechungsfähigkeiten auf, sodass es sehr wahrscheinlich zu chromatischer Aberration kommt.

Teleskophersteller entdeckten dieses Phänomen schon sehr früh und verwendeten daher Linsen aus unterschiedlichen Materialien, um Refraktorteleskope zu entwickeln, die das Problem der chromatischen Aberration grundsätzlich lösten. Um jedoch eine bessere Lichtsammelfähigkeit zu erreichen und schwächere Sterne beobachten zu können, wurden die Teleskope immer größer und die Linsen der Refraktoren immer schwerer. Gleichzeitig sind die riesigen Linsen von Refraktoren schwer zu schleifen und verformen sich leicht, was sie grundsätzlich aus dem Bereich der astronomischen Beobachtung zurückzieht.

An Weltraumteleskope werden extrem hohe Anforderungen hinsichtlich Größe und Gewicht gestellt. Sie alle verwenden reflektierende optische Systeme, die sich stark von den optischen Systemen von Mobiltelefonen und Kameraobjektiven unterscheiden.

Wenn ein Spiegelteleskop ein Bild erzeugt, muss das Licht nicht durch den Hauptspiegel gehen, sondern wird stattdessen durch Reflexion fokussiert und geformt, wodurch das Problem der chromatischen Aberration eliminiert wird. Die Linse eines Spiegelteleskops muss nur eine reflektierende Oberfläche aufweisen, ist einfach herzustellen und wiegt wenig, was den Bau eines Teleskops mit größerer Öffnung erleichtert.

Aufgrund ihrer Vorteile wurden Spiegelteleskope schnell zu gängigen astronomischen Teleskopen. Um eine bessere Bildqualität zu erzielen, haben sich das Hubble-Weltraumteleskop und das Webb-Weltraumteleskop der Vereinigten Staaten für das hyperbolische Reflektordesign von Ritchie-Chrétien entschieden, während das derzeit in meinem Land entwickelte Durchmusterungsteleskop ein ungehindertes, außeraxiales Dreireflexionsdesign verwendet, das eine bessere Bildqualität aufweist. Diese leistungsstarken reflektierenden Abbildungssysteme sind bei gewöhnlichen Kameras oder sogar Amateurteleskopen äußerst selten.

Bei Weltraumteleskopen müssen die Linsen auch die enormen Temperaturunterschiede im Weltraum berücksichtigen. Daher werden Linsenmaterialien mit extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgewählt. Auch die Beschleunigung und Vibration beim Start der Trägerrakete müssen berücksichtigt werden, daher muss das Material auch eine gewisse Elastizität aufweisen.

Das Hubble-Teleskop verwendet Quarzglas mit einem extrem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, während das Webb-Teleskop das Metall Beryllium als Linsenmaterial wählt. Weltraumteleskope in Europa und meinem Land bevorzugen Siliziumkarbidmaterialien mit niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und Dichten.

Infrarotteleskope wie das Webb-Teleskop müssen außerdem die von ihnen emittierten Infrarotstrahlen abschwächen und ihre Mittelinfrarotkameras müssen aktiv auf eine ultraniedrige Temperatur von 6 K gekühlt werden, was einen himmelweiten Unterschied zu gewöhnlichen Kameras auf der Erde darstellt.

Neues Konzeptteleskop bietet einzigartigere Bildgebung

Das Hubble-Teleskop läutete eine neue Ära der Weltraumastronomie ein, während das Webb-Teleskop den Menschen in den frühen Tagen des Urknalls weit entfernte und dunkle Galaxien zeigte. Um noch mehr Geheimnisse des Universums zu ergründen, sind heute viele neue Teleskopkonzepte Realität geworden oder stehen kurz davor, Realität zu werden. Sie verwenden einzigartige Bildgebungsverfahren und werden der Menschheit weitere Überraschungen durch wissenschaftliche Forschung bescheren.

Hubble-Weltraumteleskop

Auf der Pressekonferenz zur Veröffentlichung des ersten Fotos des Webb-Teleskops verwendete NASA-Administrator Bill Nelson eine anschauliche Metapher: „Der Bereich des Sternenhimmels, der auf diesem Foto des Webb-Teleskops erfasst wird, entspricht einem Sandkorn auf Ihren Fingerspitzen, das aus einer Entfernung von einer Armlänge betrachtet wird.“

Bei den Fotografien des Hubble Extreme Deep Field und des Webb Deep Field geht es beide um die Beobachtung weit entfernter und dunkel leuchtender Himmelskörper in einem extrem kleinen Bereich, was allgemein als detaillierte Untersuchung bezeichnet wird. Die Astronomie konzentriert sich jedoch nicht nur auf ein einzelnes „Sandkorn“ am Sternenhimmel, sondern interessiert sich auch für die Details des großen Universums, wofür ein Durchmusterungsteleskop erforderlich ist, das für die allgemeine Durchmusterung zuständig ist.

Das Euclid-Teleskop, das für die Himmelsdurchmusterungsmission der Europäischen Weltraumorganisation verantwortlich ist, steht kurz vor seinem Start ins All. Das optische Teleskop meines Landes zur Himmelsdurchmusterung wird ebenfalls im Jahr 2023 in Betrieb genommen. Das römische Teleskop in den Vereinigten Staaten wird ebenfalls für Himmelsdurchmusterungsbeobachtungen verwendet. Sie alle zeichnen sich durch ein weites Sichtfeld aus.

Das radikalste Konzept für ein Weltraumteleskop ist das US-Teleskopkonzept „Terrestrial Planet Finder“ (TPF). Derzeit hat China in das Square Kilometer Array (SKA) investiert, ein Antennenfeld mit mehr als 3.000 Antennen mit einem Durchmesser von 15 Metern, das durch die Technologie der Interferometrie mit sehr langer Basislinie hochauflösende Radiobilder erzeugt.

Das SKA arbeitet in einem sehr langen Wellenlängenband, während die Wellenlängen des sichtbaren Lichts und sogar des Infrarotlichts sehr kurz sind, was die Interferenzbildgebung äußerst schwierig macht. TPF ist ein Weltraumteleskopkonzept mit einem Interferometer-Array für sichtbares Licht. Mithilfe einer revolutionären Bildgebungstechnologie kann es weit entfernte Exoplaneten direkt fotografieren, ihre Größe, Temperatur und andere Informationen messen und den Menschen helfen, die Frage zu beantworten, ob es außerirdisches Leben gibt.