Der Start des Webb-Teleskops wurde erneut verschoben. Warum freuen wir uns so darauf?

Laut der jüngsten Ankündigung der National Aeronautics and Space Administration (NASA) wurde der Start des lang erwarteten astronomischen Weltraumbeobachtungsinstruments, des James Webb Space Telescope (JWST), erneut verschoben. Der Start soll am 24. Dezember 2021 (Eastern Time) vom Europäischen Weltraumbahnhof in Kourou, Französisch-Guayana, mit einer Trägerrakete vom Typ Ariane V erfolgen, also zwei Tage später als ursprünglich geplant.

Es wird 1,5 Millionen Kilometer zurücklegen und in die Halo-Arbeitsumlaufbahn des Lagrange-Punkts L2 eintreten. Nach der Erprobung wird es zur Erforschung der Tiefen des Weltraums eingesetzt, wobei vor allem Beobachtungen im mittleren Infrarotbereich durchgeführt werden sollen, die möglicherweise die tiefen Geheimnisse der Entstehung und Entwicklung des Universums enthüllen.

Das Webb-Teleskop gilt als Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops. Die Errungenschaften des Hubble-Teleskops in den letzten 30 Jahren haben die Wissenschaftler bereits begeistert, und die Menschen freuen sich noch mehr auf das Webb-Teleskop.

Antike astronomische Beobachtungen

Die Astronomie ist eine der ältesten Disziplinen. Seit Tausenden von Jahren erforschen und verstehen die Menschen mit großer Leidenschaft die Geheimnisse des riesigen Universums. Im Laufe eines langen Prozesses unermüdlicher Forschung erhoben die Menschen die Astronomie allmählich vom Aberglauben zur Wissenschaft.

Die grundlegendste Methode zum Studium der Astronomie ist die Beobachtung, die über lange Zeit nur mit bloßem Auge möglich ist. Die Menschen haben auf dem Boden viele Gebäude errichtet, die Observatorien ähneln. So wird beispielsweise angenommen, dass das prähistorische Stonehenge in Großbritannien und die Pyramiden der Maya von den Menschen der Antike zur Beobachtung von Himmelsphänomenen erbaut wurden.

Stonehenge, England

Maya-Pyramiden

Mit dem Aufkommen der zivilisierten Gesellschaft wurden astronomische Beobachtungsinstrumente im Zuge der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie kontinuierlich verbessert.

Der alte chinesische Gnomon, die Sonnenuhr und die Klepsydra waren wichtige Zeitmessgeräte für astronomische Beobachtungen. Die alten chinesischen Astronomen erfanden viele Instrumente zur Beobachtung der Sterne. Das wichtigste davon war die Armillarsphäre, die vor der Erfindung des Teleskops das fortschrittlichste astronomische Beobachtungsinstrument der Welt war.

Armillarsphäre aus der Ming-Dynastie (Original)

Das wasserbetriebene Instrument und die Statuenplattform sind große astronomische Instrumente, die von Su Song, Han Gonglian und anderen in der Song-Dynastie entworfen und hergestellt wurden. Es kombiniert auf raffinierte Weise die Armillarsphäre zur Beobachtung von Himmelsphänomenen, die Armillarsphäre zur Demonstration von Himmelsphänomenen und das Gerät zur Zeitmessung und ist eine herausragende Erfindung des alten China. Die wasserbetriebene astronomische Uhr kann die Zeit genau anzeigen und ihr Antriebsmechanismus „könnte der direkte Vorläufer der mittelalterlichen europäischen astronomischen Uhr sein.“

Wasserbetriebene Instrumentenplattform

Die Armillarsphäre wurde im Laufe ihrer Nutzung kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert. Das von Guo Shoujing in der Yuan-Dynastie entworfene und entwickelte einfache Instrument installierte die horizontalen Koordinaten und die Äquatorialkoordinaten getrennt, was nicht nur den Effekt einer gleichzeitigen Messung hatte, sondern auch den Nachteil der gegenseitigen Verdeckung vermied. Es war ein wichtiger Beitrag zur Geschichte der astronomischen Instrumente.

Restaurierung des Jianyi durch Guo Shoujing

Im Zuge der Notwendigkeit, astronomische Phänomene zu beobachten, wurden in der europäischen Geschichte zahlreiche Beobachtungsinstrumente erfunden, wie etwa der Gnomon, die Klepsydra und andere Zeitmessgeräte. Bei der Durchführung astronomischer Beobachtungen und Forschungen verwendeten griechische Astronomen mathematische Werkzeuge, um Beobachtung und Berechnung zu kombinieren und erzielten ganz hervorragende Ergebnisse.

Ptolemäus stellte zur Messung von Längen- und Breitengraden ähnliche Instrumente her – ein Astrolabium und einen Winkeldistanzmesser. Anhand von Beobachtungsdaten und theoretischen Schlussfolgerungen verfasste er den „Almatis“, der als Enzyklopädie der antiken Astronomie gilt.

Das vom dänischen Astronomen Tycho Brahe üblicherweise verwendete astronomische Instrument war eine große äquatoriale Armillarsphäre, die er persönlich entworfen und überwacht hatte. Der Fehler der damit gemessenen Position von Himmelskörpern betrug weniger als 2 Bogenminuten und erreichte damit fast die Grenze der Genauigkeit der Beobachtung mit bloßem Auge.

Die große äquatoriale Armillarsphäre von Tycho

Tycho hat mit großer Sorgfalt viele große und präzise astronomische Beobachtungsinstrumente entworfen und hergestellt. Der größte davon war ein Quadrant mit einem Durchmesser von fast 12 Metern und extrem hoher Präzision, der später „Tycho-Quadrant“ genannt wurde. Mithilfe von Tychos Beobachtungsdaten und dem Konzept der himmlischen Harmonie machte der deutsche Astronom Kepler eine wichtige Entdeckung in der Geschichte der Astronomie – die drei Gesetze der Planetenbewegung.

Der riesige Äquatorring, entworfen von Tycho

Astronomische Beobachtungen seit der Neuzeit

Die größten Erfindungen der modernen Astronomie sind die mechanische Uhr und das Teleskop.

Mechanische Uhren kamen erstmals im mittelalterlichen Europa als große Uhren in Kirchen oder Türmen zum Einsatz und zeigten oft nur die genaue Uhrzeit an. Mit der Erfindung des Aufzugsantriebs im 15. Jahrhundert wurden mechanische Uhren immer genauer und kleiner.

Nachdem Galileo das Gesetz des einfachen Pendels entdeckt hatte, erfand Huygens die Pendeluhr, die den Ganggenauigkeitsfehler der Uhr auf 1 Minute reduzierte. Nach weiteren Verbesserungen betrug die Gangabweichung der Uhr weniger als 10 Sekunden pro Tag.

Auch die Erfindung des Teleskops hat eine lange Geschichte. Im Mittelalter kamen in Europa Brillen für Kurzsichtigkeit auf und die Brillenindustrie entwickelte sich rasch. Im Jahr 1608 entdeckte Hans Liebig zufällig, dass er weit entfernte Objekte mithilfe von zwei Linsen klar sehen konnte. Davon inspiriert baute er das erste Teleskop.

Nach Verbesserungen erfand Galileo ein 40-fach vergrößerbares binokulares Teleskop. Mit diesem selbstgebauten Teleskop entdeckte er vier Jupitermonde und lieferte damit starke Beweise für die heliozentrische Theorie.

Galileos Teleskop

Um die chromatische Aberration des Linsenteleskops zu verringern, baute Huygens ein Teleskop mit einer Rohrlänge von fast 6 Metern zur Beobachtung der Saturnringe und später ein Teleskop mit einer Länge von fast 41 Metern.

Um die Aberration zu eliminieren, schliff Newton einen konkaven sphärischen Spiegel mit einem Durchmesser von 2,5 cm und installierte eine Objektivlinse am Ende eines 15 cm langen Objektivtubus. Dies war das erste Spiegelteleskop, das er baute, und das erzeugte Bild konnte 40-fach vergrößert werden.

Newton-Teleskop

Im Jahr 1672 erfand Cassegrain das Cassegrain-Teleskop, ein Spiegelteleskop, das aus zwei reflektierenden Spiegeln besteht. Normalerweise befindet sich in der Mitte des Hauptspiegels ein Loch und das Bild wird hinter dem Hauptspiegel erzeugt. Der Fokus wird Cassegrain-Fokus genannt.

Die Erfindung und Verbesserung des Teleskops gilt als Revolution in der beobachtenden Astronomie. Später steigerten Wissenschaftler die Vergrößerung weiter, indem sie die Öffnung des Teleskops vergrößerten und so die Qualität astronomischer Beobachtungen verbesserten.

Im Jahr 1772 schliff William Herschel den ersten Reflektorspiegel mit einem Durchmesser von 15 Zentimetern und baute ein 2,1 Meter langes Newton-Reflektorteleskop mit 40-facher Vergrößerung. Mit diesem Teleskop betrachtete er den Orionnebel und konnte die Ringe des Saturn deutlich erkennen.

Im Jahr 1781 sah Herschel durch ein Teleskop zufällig einen Himmelskörper mit runder Oberfläche. Weitere Beobachtungen ergaben, dass dieser Himmelskörper die Sonne umkreiste. Später wurde bestätigt, dass es sich um einen neuen Planeten in 2,8 Milliarden Kilometern Entfernung von der Sonne handelte, der später Uranus genannt wurde.

Herschel baute im Laufe seines Lebens Hunderte astronomischer Teleskope. 1786 baute er das größte Teleskop. In der ersten Nacht, in der er dieses Ungetüm für Beobachtungen nutzte, entdeckte er zwei neue Saturnmonde. Später erzielte er große Erfolge bei der Beobachtung der Milchstraße. So erstellte er beispielsweise den umfassendsten Sternenkatalog der Geschichte und stellte erstmals die Theorie auf, dass die Milchstraße eine endliche Größe habe.

Herschels Riesenteleskop

Im 18. und 19. Jahrhundert wurde die Leistung astronomischer Teleskope und ihrer Anschlussgeräte und Zubehörteile immer besser und die Genauigkeit astronomischer Messungen nahm zu, was zu einer Reihe wichtiger Entdeckungen führte.

Im Jahr 1814 baute Fraunhofer das erste Spektroskop zur Beobachtung der Sonne und entdeckte die Spektrallinien der Sonne. Die Namen, die er den wichtigsten Spektrallinien gab, wie A, B, C und D, sind noch heute in Gebrauch.

Im Jahr 1859 veröffentlichte Kirchhoff das grundlegende Gesetz der Spektroskopie, das Kirchhoffsche Gesetz, und wies darauf hin, dass in der Sonne viele Elemente vorkommen, die auf der Erde häufig vorkommen.

Im Jahr 1869 veröffentlichte Ångström die Wellenlängen von 1.000 Spektrallinien im Sonnenspektrum und benannte die von ihm festgelegte Wellenlängeneinheit nach seinem Nachnamen (1 Ångström = 0,1 nm = 10-10 m).

Zwischen 1886 und 1895 veröffentlichte Roland eine neue Spektraltabelle, die die Wellenlängen von 14.000 Spektrallinien vom Ultraviolett- bis zum Rotlichtbereich enthielt.

Neben dem Sonnenspektrum begann man auch, dem Sternenspektrum Beachtung zu schenken.

Im Jahr 1863 verwendete Sage einen Spektrographen mit geringer Dispersion, um Sterne zu beobachten und ihre Spektren zu klassifizieren. Einige Jahre später veröffentlichte er einen Sternenkatalog mit 4.000 Sternen, in dem er die Sternspektren in vier Kategorien einteilte, und vermutete, dass diese vier Kategorien eng mit der Temperatur zusammenhängen.

Im Jahr 1885 verwendete Pickering erstmals das Objektivendprisma und die fotografische Methode, um ein Spektralfoto der Plejaden aufzunehmen, und leitete damit eine neue Ära der spektralen Klassifizierung von Sternen ein. Mithilfe der Sternspektralanalyse entdeckten Wissenschaftler ein neues Element: Helium.

Der Einsatz von Teleskopen und Spektroskopen zur Untersuchung von Himmelskörpern, insbesondere Sternen, führte zur Entwicklung der Astronomie im 20. Jahrhundert und damit zu deren enormer Entwicklung.

Im Jahr 1868 führte Hagens detaillierte Messungen der Positionen der Spektrallinien von Sternen durch und entdeckte das winzige Phänomen der Verschiebung der Spektrallinien, das durch den Dopplereffekt verursacht wird. Auf dieser Grundlage maß er die scheinbare Geschwindigkeit von Sternen, die sich uns nähern oder von uns weggehen.

Ende des 19. Jahrhunderts klassifizierte das Harvard-Observatorium unter der Leitung von Pickering und Cannon Sterne auf der Grundlage objektiver Prismen-Spektralbeobachtungen und veröffentlichte nacheinander den Henry-Draper-Katalog (HD-Katalog) und dessen Ergänzung (HDE-Katalog), der eine einheitliche Klassifizierung der Spektren von 272.150 Sternen enthielt und damit den Grundstein für die Erstellung der Sternoberflächentemperaturreihe legte.

Von 1905 bis 1913 zeichneten Hertzsprung und Russell das Magnituden-Farbindex-Diagramm der Sternhaufen der Milchstraße bzw. das absolute Magnituden-Spektraltyp-Diagramm von Sternen bekannter Entfernung, aus denen sie die Gesetze der Sternverteilung entdeckten. Russell schlug in der Grafik auch den Evolutionstrend der Sterne vor. Spätere Generationen nannten das spektrale Leuchtkraftdiagramm von Sternen das Hertzsprung-Russell-Diagramm.

Im Jahr 1937 entdeckte Kuiper, dass die Unterschiede in den Positionen einiger Galaxienhaufen im Hertzsprung-Russell-Diagramm durch ihr unterschiedliches Alter erklärt werden konnten. Dies deutete darauf hin, dass das Hertzsprung-Russell-Diagramm ein wirksames Instrument zur Untersuchung der Sternentwicklung ist.

Im Jahr 1938 wies Bethe darauf hin, dass die Energiequelle von Hauptreihensternen die thermonukleare Reaktion von Wasserstoff zu Helium ist. Es gelang ihm, den Mechanismus der stellaren Energieerzeugung zu erklären und den Grundstein für das Verständnis der Evolution sonnenähnlicher Sterne zu legen.

Von den späten 1950er bis in die 1960er Jahre konnten Wissenschaftler die Entwicklung von Sternen unterschiedlicher Masse in der Wasserstoffverbrennungsphase vor der Hauptreihe beschreiben.

Astronomische Beobachtungen zeigen, dass Sterne aus interstellaren Dunkelwolken entstehen und dass aufgrund von Akkretion und Kontraktion die Kernfusion von Wasserstoff beginnt, bei der Protosterne (auch Sternenembryos oder Sternenföten genannt) entstehen. Diese Arbeiten erklären nicht nur die Quelle der enormen Energie der Sterne, sondern stellen auch den Prozess der Sternentwicklung und die Spätphase der Evolution dar.

Das Wissen und Verständnis der Menschheit über die Entstehung und Entwicklung von Sternen war zu Beginn des 20. Jahrhunderts eine große Errungenschaft der Astronomie.

Herschel schlug das Konzept einer flachen Milchstraße mit endlicher Größe vor. Im frühen 20. Jahrhundert erstellte Kapteyn durch statistische Studien zur Sternzählung und zu Leuchtkraftfunktionen ein Modell der Milchstraße mit dem Sonnensystem im Zentrum und einem Durchmesser von 40.000 Lichtjahren.

Im Jahr 1918 analysierte Shapley die scheinbare Verteilung der damals bekannten Kugelsternhaufen und schätzte ihre Entfernungen auf der Grundlage der Perioden-Leuchtkraft-Beziehung von Cepheiden. Er kam zu dem Schluss, dass die Milchstraße ein linsenförmiges System aus Sternen und Nebeln mit einem Durchmesser von 300.000 Lichtjahren und einer Dicke von 30.000 Lichtjahren ist.

Shapley

Curtis glaubte, dass es sich bei dem beobachteten Spiralnebel um ein Sternensystem weit außerhalb der Milchstraße handelte und dieser ähnelte.

Am 26. April 1920 veranstaltete die National Academy of Sciences der Vereinigten Staaten in Washington eine berühmte Debatte, die als „Shapley-Curtis-Debatte“ bekannt wurde. Spätere Beobachtungen zeigten, dass Curtis‘ Ansichten im Wesentlichen richtig waren und dass die Milchstraße weit vom Zentrum des Universums entfernt war.

Curtis

Von 1923 bis 1924 nutzte Hubble das 254-Zentimeter-Spiegelteleskop am Mount-Wilson-Observatorium, um Spektralfotos des Andromedanebels und von M33 zu machen und dabei ihre Ränder in einzelne Sterne zu zerlegen. Nach der Analyse der Helligkeit einer Gruppe veränderlicher Cepheiden gelangte er zu dem Schluss, dass diese Cepheiden und die Nebel, in denen sie sich befinden, Hunderttausende von Lichtjahren von uns entfernt sind, also die damalige Größe der Milchstraße bei weitem übertreffen und sich daher außerhalb der Milchstraße befinden müssen, d. h., es handelt sich tatsächlich um riesige Himmelssysteme außerhalb der Milchstraße – extragalaktische Galaxien.

Hubble, der „Vater der modernen Kosmologie“

Im Jahr 1929 entdeckte Hubble durch statistische Analysen von mehr als 20 Galaxien, deren Entfernungen gemessen worden waren, dass die Rotverschiebung der Spektrallinien extragalaktischer Galaxien direkt proportional zur Entfernung der Galaxien ist – das Hubble-Gesetz.

Wenn die Rotverschiebung der Dopplereffekt der Rückzugsbewegung von Himmelskörpern ist, dann bedeutet die Beziehung zwischen Rotverschiebung und Entfernung, dass sich Galaxien im Allgemeinen von der Erde entfernen und der Raum, in dem sie sich befinden, sich insgesamt ausdehnt. Die Ausdehnung des Universums ist eines der Ergebnisse, die die relativistische Kosmologie erwartet.

Hubble führt astronomische Beobachtungen durch

Lemaître schlug 1927 das Konzept der kosmischen Expansion vor und 1931 schlug er den Prototyp der Hypothese vom Ursprung des Universums vor, nämlich das Uratom. Dieser Hypothese zufolge entstand das Universum durch die radioaktive Spaltung eines Atoms und dehnt sich seitdem aus.

Im Jahr 1930 verknüpfte Eddington Lemaîtres Hypothese mit dem Hubble-Gesetz und bezeichnete das Universum als expandierendes Universum. Im Jahr 1932 schlug Lemaître außerdem vor, dass das Universum, das wir heute beobachten, durch die Explosion eines riesigen Urfeuerballs entstanden sei.

Lemaitre

In den späten 1940er Jahren war man sich unter Wissenschaftlern allgemein einig, dass die enorme Energie der Sonne aus thermonuklearen Reaktionen stammte.

Im Jahr 1948 verknüpfte George Gamow die Theorie der kosmischen Expansion, die Bewegung der Elementarteilchen und die allgemeine Relativitätstheorie und schlug die heiße Urknall-Kosmologie (auch bekannt als Urknall-Kosmologie) vor. Er glaubte, dass das Universum aus dem Urknall eines „Urfeuerballs“ mit hoher Temperatur und hoher Dichte entstanden sei.

Als die Urknalltheorie erstmals aufgestellt wurde, schenkten ihr nur wenige Menschen Beachtung. Erst 1965 entdeckten Penzias und Wilson von den Bell Telephone Laboratories in den USA die 3K-Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (auch als kosmische Hintergrundstrahlung bekannt), die die Urknalltheorie zur einflussreichsten Theorie machte.

Georg Gamow

Diese wichtigen Entdeckungen und Theorien basieren im Wesentlichen auf Beobachtungsdaten und Analysen von erdgebundenen Observatorien. Neben optischen Teleskopen sind erdgebundene Observatorien auch mit Beobachtungsgeräten ausgestattet, die nicht mit sichtbarem Licht arbeiten.

Sowohl die Himmelspolychromatische Photometrie als auch die Himmelsspektrophotometrie basieren auf der Spektraltheorie und sind die effektivsten Methoden, um die scheinbare Bewegung von Himmelskörpern, Eigenschaften von Sternpopulationen, physikalische Parameter und die chemische Zusammensetzung zu verstehen.

Im Jahr 1910 maßen Wilson und andere die Temperatur von Sternen und berechneten ihren Durchmesser. In den 1940er Jahren kamen radioastronomische Beobachtungen auf und führten zu den vier berühmten Entdeckungen: Quasare, Pulsare, kosmische Hintergrundstrahlung und interstellare organische Moleküle.

Astronomische Beobachtungen im Radiowellenbereich sind zu einem Routineprojekt bei der Beobachtung und Erforschung des Universums, der Galaxien und der Sterne geworden.

Nach dem 20. Jahrhundert wurden astronomische Teleskope immer größer und ihre Öffnungen immer größer. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts hatte das größte Teleskop der Welt eine Öffnung von mehr als 10 Metern.

Der Spiegel des Canary Islands Telescope auf den spanischen Kanarischen Inseln hat einen Durchmesser von 10,4 Metern und besteht aus 36 maßgeschneiderten sechseckigen Spiegelkomponenten.

Kanarisches Teleskop

Astronomische Fotos vom Kanarischen Inseln-Teleskop

Der Gipfel des Mauna Kea auf Hawaii liegt 4.200 Meter über dem Meeresspiegel, wodurch der Einfluss von Bodenlicht und Staub weitgehend eliminiert werden kann. Das auf dem Gipfel des Berges gelegene Keck-Teleskop besteht aus zwei exakt gleichen Teleskopen, Keck I und II, die jeweils aus 36 hexagonalen Spiegelkomponenten bestehen. Der Gesamtdurchmesser des Spiegels beträgt 10 Meter und die Öffnung jedes Spiegels beträgt 1,8 Meter.

Keck-Teleskop

Foto der Andromedagalaxie mit dem Keck-Teleskop

Das Southern African Large Telescope (SALT) ist das größte einzelne optische Teleskop der südlichen Hemisphäre. Es besteht aus 91 sechseckigen Spiegelkomponenten mit einem tatsächlichen effektiven Durchmesser von 10 Metern. Das Teleskop kann das schwache Licht des Mondes erfassen, der nur so weit entfernt ist wie eine Kerze.

SALT-Teleskop, Südafrika

Diese großen astronomischen Teleskope haben den Wissenschaftlern enorm dabei geholfen, das Universum eingehend zu beobachten. Sie sind nicht nur mit Teleskopen mit großer Apertur für Beobachtungen im sichtbaren Licht ausgestattet, sondern verfügen häufig auch über eine Vielzahl von Beobachtungsinstrumenten, die Informationen in anderen von Sternen und Galaxien ausgestrahlten Lichtbändern erfassen können.

Das Tempo beim Bau größerer erdgebundener Teleskope ist ungebrochen.

Im Jahr 2020 planen acht Organisationen, darunter die Carnegie Institution of Washington, USA, und die Australian National University, beim Bau des Large Magellan Telescope (abgekürzt GMT) zusammenzuarbeiten. Baustelle ist das Las Campanas-Observatorium in Chile, die Inbetriebnahme ist für 2022 geplant.

Der 21,4 Meter große Hauptspiegel des GMT besteht aus sieben Unterspiegeln mit jeweils 8,4 Metern Durchmesser und hat ein Budget von 625 Millionen US-Dollar. Seine Gesamtauflösung entspricht der eines einzelnen 25-Meter-Primärspiegels, wodurch es 4,5-mal leistungsfähiger ist als das größte existierende optische Teleskop und seine Bildschärfe wird zehnmal so hoch sein wie die des Hubble-Weltraumteleskops.

Hauptspiegel des großen Magellan-Teleskops

GMT konzentriert sich auf Beobachtungen im sichtbaren Licht und wird durch Infrarotbeobachtungen ergänzt. Nach seiner Fertigstellung wird es für die Erforschung der Entstehung von Sternen und Planetensystemen im Universum, der Geheimnisse der dunklen Materie, der dunklen Energie und der schwarzen Löcher sowie der Entstehung der Milchstraße zuständig sein.

Allerdings hat GMT noch immer Probleme bei der Erforschung des Ursprungs des Universums und der Beobachtung weiter entfernter Galaxien. Der Hauptgrund dafür besteht darin, dass die dichte Atmosphäre, Staub, künstliches Licht und verschiedene lebende und nicht lebende Objekte auf der Erdoberfläche große Störungen der aus den Tiefen des Universums ausgesandten Infrarot-, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen verursachen.

Daher ergänzen sich astronomische Satelliten im Weltraum und erdgebundene Observatorien und arbeiten zusammen, um die Geheimnisse des Universums zu erforschen.

Ära der Weltraumastronomie

Mit dem Start des ersten künstlichen Satelliten durch die Sowjetunion trat die Menschheit in das Weltraumzeitalter ein. Raumfahrzeuge bieten neue Möglichkeiten der astronomischen Beobachtung und der Aufstieg der Weltraumastronomie gilt als zweite Revolution auf dem Gebiet der astronomischen Beobachtung.

Für astronomische Beobachtungen werden hauptsächlich zwei Arten von Raumfahrzeugen eingesetzt: astronomische Satelliten und Weltraumsonden. Letztere dienen vor allem der Erforschung von Himmelskörpern im Sonnensystem.

Unter allen Sondentypen sind die gängigsten auf den Mond und den Mars ausgerichtet.

Bislang ist es Menschen gelungen, sanft auf dem Mond zu landen und sogar eine bemannte Mondlandung durchzuführen. Zudem konnten sie Mondproben durch Mondlandungen und die automatische Probenentnahme durch unbemannte Sonden zur Erde zurückbringen.

Chang'e 5 Mondproben

Die Erforschung des Mars ist in vollem Gange. Die Vereinigten Staaten, die Sowjetunion (Russland), China, Europa und andere Länder haben insgesamt 47 Marserkundungsmissionen durchgeführt, von denen fast 15 weiche Landungen auf dem Mars erzielten und insgesamt 8 Marsrover dorthin gebracht wurden.

Die Probenrückführungsmission vom Mars wird bald abgeschlossen sein und der Tag des bemannten Marsflugs wird in naher Zukunft realisiert werden.

Chinas Mars Rover Zhurong

Bis heute haben verschiedene Länder mehr als 300 Weltraumsonden entwickelt und gestartet. Diese Sonden tragen verschiedene Instrumente. Einige von ihnen fliegen in unmittelbarer Nähe an den Zielhimmelskörpern vorbei, einige treten in die Umlaufbahn der Zielhimmelskörper ein und einige landen direkt auf den Zielhimmelskörpern. Die Beobachtung und Erforschung von Himmelskörpern wird immer detaillierter.

Voyager 2-Sonde

Galileo Jupiter-Sonde

Cassini-Huygens-Saturnsonde

Seit Tausenden von Jahren stammen die aus astronomischen Beobachtungen gewonnenen Informationen hauptsächlich aus dem sichtbaren Lichtband. Da sichtbares Licht jedoch nur einen sehr kleinen Teil des Spektrums einnimmt, wurden viele andere von Himmelskörpern ausgesandte Informationen ignoriert.

In den frühen 1930er Jahren entdeckten Jansky und andere kosmische Radiowellen (d. h. Radiowellen), die von außerhalb der Erde kamen. Nach den 1940er Jahren förderte die Entwicklung und Verbesserung des Radars die Radiobeobachtung. Hay, Bolton, Ryle und andere erforschten nacheinander den Radiohimmel und begründeten so die Radioastronomie.

Ein typisches Radioteleskop

In den letzten 80 Jahren haben sich Radioteleskope von Parabolantennen mit einem Durchmesser von nur wenigen Metern über 305 Meter große feste Parabolantennen bis hin zu modernen Apertursynthese-Radioteleskopen und Interferometern mit sehr langer Basislinie entwickelt.

Das Arecibo-Radioteleskop hat einen Durchmesser von 305 Metern.

Durch das atmosphärische Radiofenster können wir die Aktivität des Kerns der Milchstraße erforschen, die Spiralstruktur darstellen, mehr als 50 Arten interstellarer Moleküle, mehr als 100 Supernova-Überreste, mehr als 300 Pulsare, Tausende von Radiogalaxien und quasi-stellaren Radioquellen entdecken, die isotrope kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung erfassen und mithilfe von Radiomethoden versuchen, Kontakt zu möglichen außerirdischen Zivilisationen aufzunehmen.

Das 500-Meter-FAST-Radioteleskop in Guizhou, China

Radioteleskop-Array

In den 1960er Jahren, mit dem Beginn des Weltraumzeitalters, durchbrach die Astronomie die Beschränkungen der Erdatmosphäre und erforschte das Universum außerhalb der Atmosphäre. Die Astronomie entwickelte sich zu einer umfassenden kosmischen Wissenschaft, die es Wissenschaftlern ermöglichte, Himmelsphänomene tief im Universum in Milliarden von Lichtjahren Entfernung zu beobachten.

Von allen elektromagnetischen Wellenbändern haben Gammastrahlen die kürzeste Wellenlänge und die höchste Energie, gefolgt von Röntgenstrahlen. Die Verwendung von Gamma- und Röntgenstrahlen zum Erkennen hochenergetischer Bänder ist für die Untersuchung von Schwarzen Löchern, Galaxien, Pulsaren, Neutronensternen, Supernovas und massereichen Sternen von großer Bedeutung.

Ultraviolettes Licht hat eine Wellenlänge zwischen sichtbarem Licht und Röntgenstrahlen und wird manchmal in Ultraviolett, fernes Ultraviolett und extremes Ultraviolett unterteilt. Ultraviolettbeobachtungen sind für die Untersuchung großer Sterne, weißer Zwerge und Zentralsterne planetarischer Nebel sehr wichtig. Darüber hinaus haben sie eine besondere Bedeutung für die Untersuchung interstellarer Materie. Sie werden normalerweise zum Studium von Sternentwicklungsprozessen, Nebeln, interstellarer Materie und astrochemischer Zusammensetzung verwendet.

Infrarotlicht hat eine geringere Energie als sichtbares Licht und wird von kühleren Quellen ausgestrahlt, darunter kühle Sterne, Nebel und rotverschobene Galaxien. Zu den Infrarotquellen zählen Sterne, Regionen mit ionisiertem Wasserstoff, Molekülwolken, Galaxienkerne, planetarische Nebel, Galaxien, Quasare usw. Durch Infrarotbeobachtungen können wir die Entstehung, Entwicklung und sogar den Sterbeprozess von Sternen verstehen.

Mikrowellen werden hauptsächlich zur Messung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung verwendet. Durch Mikrowellenbeobachtungen können wir die Synchrotronstrahlung, die freie Strahlung und den rotierenden Staub der Milchstraße sowie extragalaktische kompakte Quellen und Galaxienhaufen verstehen.

Typische Ziele für Radiowellenbeobachtungen sind Supernova-Überreste, Pulsare, Gravitationslinsenphänomene und Starburst-Galaxien.

Durch Beobachtungen in verschiedenen Frequenzbändern können wir mehr Himmelskörper und astronomische Phänomene untersuchen, darunter die Kindheit, das mittlere Alter, das Alter und den Tod von Sternen. die Geburt und Entwicklung von Galaxien; besondere Himmelskörper wie Quasare, Neutronensterne, Weiße Zwerge und Schwarze Löcher; Gammastrahlenausbrüche und Starbursts usw.

Durch die Beobachtung verschiedener Himmelskörper und astronomischer Phänomene können astronomische Geheimnisse wie die Sternentwicklung, Schwarze Löcher, Neutronensterne und Weiße Zwerge, Quasare, die Entstehung und Kollision von Galaxien, das Alter des Universums und das frühe Universum aufgedeckt werden.

Elektromagnetisches Spektrum

Bis heute haben verschiedene Länder etwa 90 bis 100 astronomische Satelliten gestartet, von denen sich die meisten in der Erdumlaufbahn befinden. Einige werden aufgrund besonderer Anforderungen an die Beobachtungsumgebung in Lagrange-Punkte, heliozentrische Umlaufbahnen oder andere spezielle Umlaufbahnen gebracht.

Die an Bord mitgeführten Beobachtungsinstrumente können mehrere elektromagnetische Bänder abdecken, ein Band ist jedoch das Hauptband. Daher werden diese astronomischen Satelliten nach diesem Band benannt, wie etwa Röntgensatelliten, Gammastrahlenobservatorien, Infrarotobservatorien, Observatorien für extremes Ultraviolett usw. Viele astronomische Satelliten sind auch nach berühmten Wissenschaftlern benannt, wie etwa der Einstein-Satellit, der Röntgensatellit, das Herschel-Weltraumobservatorium, das Compton-Observatorium, das Hubble-Weltraumteleskop usw.

Sehen Sie sich einige astronomische Satellitenbilder an

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Der Satellit Vera registriert den ersten kosmischen Gammastrahlenausbruch

Gammastrahlenbeobachtungssatellit SAS-2

Hochenergie-Astrophysik-Observatorium 3 (HEAO-3)

Compton-Observatorium

Swift-Gammastrahlenausbruchssatellit

Zusammengesetztes Bild der Galaxie M101 im fernen Ultraviolett und sichtbaren Licht, aufgenommen vom Satelliten Swift

Fermi-Gammastrahlenteleskop

Der vom Fermi-Satelliten vor und nach seinem Ausbruch beobachtete Gammastrahlenausbruch GRB 130427A

OAO-3 Copernicus Röntgen-Observatoriumssatellit

Astronomischer Satellit ANS-1

Röntgensatellit Antelope 5

HEAO-2 Einstein-Observatorium

Karte der Röntgenquellen des Albert-Einstein-Observatoriums

Europäisches Röntgenobservatorium

Infrarotbild der Andromeda, aufgenommen bei ISO

Weitfeld-Infrarot-Vermessungs-Explorer (WISE)

Trifidgalaxie, aufgenommen von WISE

Herschel-Weltraumobservatorium

Weltraumobservatorium Herschel im Orbit

Herschel-Weltraumobservatorium enthüllt Details der Sternentstehung

Der Rosettennebel vom Herschel-Weltraumobservatorium

Das Weltraumobservatorium Herschel fotografiert die Andromedagalaxie M31

Mehr als ein halbes Jahrhundert ist vergangen, seit Mitte der 1960er Jahre die ersten Versuche unternommen wurden, astronomische Satelliten zu starten.

Beobachtungen mit astronomischen Satelliten eliminieren störende Störungen durch die Erdatmosphäre, Staub, künstliches Licht, Radiowellen usw. Die empfangenen kosmischen Informationen sind stärker, reiner und konzentrierter. Daher ist es möglich, wichtige Informationen zu gewinnen, die mit erdgebundenen Observatorien und Teleskopen nur schwer zu erhalten sind. Dies ist von großer Bedeutung für eine tiefere Enthüllung der Geheimnisse des Universums.

Wenn es um die Erforschung des wichtigen Themas der Entstehung des Universums und der Bildung und Entwicklung von Galaxien geht, müssen wir den herausragenden Beitrag des Hubble-Teleskops erwähnen. Tatsächlich gilt das Webb-Teleskop auch als Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops und wir setzen große Hoffnungen in es. Artikel zum Hubble-Weltraumteleskop werden in Kürze veröffentlicht, also bleiben Sie dran!

Autorenprofil: Li Chengzhi, Professor und Doktorvater am Institute of Advanced Humanities and Social Sciences der Beihang-Universität.

Quelle: Science and Technology Herald