Wo auf der Erde kann man den klarsten Sternenhimmel sehen?

Autor: Xingliang (Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

Der Artikel stammt vom offiziellen Account der Science Academy (ID: kexuedayuan)

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Wenn wir in der Stadt gefangen sind und hoffen, bei den Sternen Trost zu finden, sehen wir meist Wolkenkratzer, die in den Himmel ragen. Gelegentlich sind freie Bereiche des Himmels oft mit bunten Lichtern gefüllt und der gesamte Nachthimmel ist von starker Lichtverschmutzung bedeckt. Wenn der Zeitpunkt günstig ist, können Sie den Mond sehen, aber meistens sind keine einzigen Sterne zu sehen.

Ein solcher Ort ist definitiv kein guter Ort zum Sternegucken und gewöhnliche Astronomie-Enthusiasten werden sich von solchen Orten fernhalten. Wenn Sie ein neues Observatorium bauen möchten, werden dicht besiedelte Gebiete mit ziemlicher Sicherheit übergangen (es sei denn, Sie sind extrem reich). Neben der Vermeidung städtischer Lichtverschmutzung sind noch viele weitere Faktoren zu berücksichtigen. Wir müssen nicht nur die Lufttransparenz, die atmosphärischen Turbulenzen und die Stabilität der Luftdichte beurteilen, sondern auch die jährlichen klaren Wetterbedingungen in der Region berücksichtigen. Wenn wir Funkbeobachtungen durchführen, müssen wir auch den Grad der Störungen durch umgebende Funksignale berücksichtigen.

Unter Berücksichtigung aller oben genannten Punkte werden die Standorte der Observatorien in abgelegenen Gebieten weit entfernt von Städten ausgewählt, oder in hohen Bergen, wo das wahre Aussehen des Mount Lu unbekannt ist, oder in Wüsten, wo man nur überleben kann, indem man seinen Durst durch das Betrachten von Pflaumenblüten löscht, oder in Polarregionen, wo der Boden weiß und der Wind kalt ist.

Europäische Südsternwarte in der chilenischen Atacama-Wüste, dem „trockenen Pol“ der Welt (Bildnachweis: National Geographic)

Gibt es also einen besten Ort auf der Erde zum Beobachten? Wenn ja, wo ist es?

Ice Dome A – der klarste Sternenhimmel!

Kürzlich veröffentlichte die internationale Wissenschaftszeitschrift Nature eine Studie eines Teams unter der Leitung des Forschers Shang Zhaohui vom Nationalen Astronomischen Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Bekannte Belege zeigen, dass der beste astronomische Beobachtungspunkt auf der Erde Kuppel A auf dem antarktischen Kontinent ist.

Der Standort von Kuppel A in der Antarktis (Bildquelle: wikipedia.org)

Die Antarktis kann geographisch in Ostantarktis und Westantarktis unterteilt werden. Kuppel A befindet sich nahe dem Zentrum der Ostantarktis. Kuppel A ist für die Antarktis das, was der Mount Everest für die Erde ist. Es ist die höchste Eisdecke der Antarktis. Der Grund, warum man von einer Eiskappe und nicht von einem Berg spricht, liegt darin, dass sie nicht wie ein Berg geradewegs in den Himmel ragt, sondern nicht anders aussieht als ebener Boden. Seine Höhe beträgt 4.093 Meter, aber da der antarktische Kontinent insgesamt ein Hochlandgebiet ist, beträgt seine relative Höhe nur 1.639 Meter.

„Pinguin“-Landung auf Kuppel A – stammt von Chinas 35. wissenschaftlicher Antarktis-Expedition (Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Für uns Normalsterbliche ist es tatsächlich unrealistisch, den Sternenhimmel hier live sehen zu wollen. Denn allein die Antarktis ist weit von uns entfernt, ganz zu schweigen davon, dass Dome A mehr als 1.200 Kilometer ins Innere der Antarktis hineinreicht, was der Autofahrt von Peking nach Shanghai entspricht. Gleichzeitig führt die dünne Atmosphäre in großen Höhen dazu, dass Sie zurückweichen und unter Sauerstoffmangel leiden, wenn Sie nicht aufpassen. Bedenken Sie auch, dass die Kälte hier geradezu furchterregend ist. Die Sommertemperatur beträgt etwa -40 Grad Celsius. Jeden Winter sinkt die Temperatur in Kuppel A oft unter -80 Grad Celsius, und es gab sogar Extremtemperaturen von bis zu -98 Grad Celsius (in der wissenschaftlichen Gemeinschaft gibt es immer noch Kontroversen über diese niedrige Temperatur). Abgesehen von einigen künstlichen Laboren ist dies fast der kälteste Ort der Erde. Die kälteste Stadt der Menschheitsgeschichte ist Oimjakon im Nordosten Sibiriens in Russland mit einer Mindesttemperatur von -71 Grad Celsius, was niedriger ist als die Durchschnittstemperatur von Dome A im Winter.

Die kälteste Stadt zum Überleben der Menschheit – Oimjakon (Fotoquelle: Daily Headlines)

Daher führen die drei Hauptfaktoren Entfernung, Höhe und Temperatur (und vielleicht ein vierter Faktor: einige Milliarden Dollar) dazu, dass die guten Beobachtungsbedingungen von Kuppel A nur von wenigen Menschen wahrgenommen werden können. Es erfüllt uns mit Stolz, dass dieser wunderbare Ort zuerst von uns Chinesen besucht wurde. Vor fünfzehn Jahren, im Jahr 2005, reisten Mitglieder des wissenschaftlichen Antarktis-Expeditionsteams meines Landes 1.228 Kilometer von der Zhongshan-Station zum Dome A.

Also, wo ist hier der klare Sternenhimmel?

Dies erfordert die Berücksichtigung eines wichtigen messbaren Indikators – des Sehens!

Warum können Kanonen die Sterne nicht treffen?

Ich werde die Einzelheiten der Sichtung vorerst geheim halten und uns ein Rätsel stellen: Warum kann eine Kanone die Sterne nicht treffen? Reden wir nicht darüber, dass eine Kanonenkugel keine Sterne treffen kann, weil ihre Geschwindigkeit nicht die zweite kosmische Geschwindigkeit erreichen kann. Der Versuch, derartige Denksportaufgaben zu lösen, wird Sie nur zu Tode wütend machen. Ich glaube, jeder kennt die Antwort: Es liegt daran, dass Sterne „blitzen“.

Sterne können jedoch mehr als nur funkeln. Die Erde besitzt eine Atmosphäre, die von innen nach außen immer dünner wird. Damit wir das Licht entfernter Sterne einfangen können, muss es diese Luftmedien unterschiedlicher Dichte durchdringen. Das Brechungsgesetz besagt, dass Licht beim Durchgang abgelenkt wird. Das Problem ist, dass die Atmosphäre nicht wie eine Stahlplatte ist. Die Luft mit ungleichmäßiger Temperatur bringt verschiedene Turbulenzen hervor. In den großen Turbulenzen gibt es kleine Turbulenzen, die die Luft wie eine Paste aufwirbeln, und diese Paste verändert sich ständig. Vergleichen wir den nicht durch die Atmosphäre „verschmutzten“ Sternenhimmel mit einem 4K-Video mit 120 Bildern, dann sehen wir unter normalen Bedingungen ein schreckliches 480p-Bild mit 30 Bildern.

Auf diese Weise werden die Sterne nicht nur „aufblitzen“, sondern auch „verschwimmen“, und das in unserem Teleskop sichtbare Ergebnis wird dem unten abgebildeten ähneln.

Dies ist ein Langzeitbelichtungsfoto eines Sterns, das die sich über einen bestimmten Zeitraum verändernde Position des Sterns im Sichtfeld des Teleskops zeigt. Wir können auch sehen, dass die Sterne im Okular eines Amateurteleskops zittern. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass Ihr Stativ instabil ist. Es ist Zeit, Ihr Stativ aufzurüsten. (Bildquelle: Wikipedia-Eintrag – Sehen)

Vergleich des Jupiters, betrachtet vom selben Teleskop aus unter unterschiedlichen Sichtbedingungen. Man erkennt, dass unter den schlechten Bedingungen auf der rechten Seite nur die Streifen undeutlich zu erkennen sind und der Große Rote Fleck fast unsichtbar ist (Bildquelle: britastro.org)

Ja, es hat nichts mit dem Preis des Teleskops zu tun. Egal wie teuer oder präzise der Spiegel ist, er wird verschwommene Bilder liefern. Wir messen diese Mehrdeutigkeit anhand des Sehens. Die wissenschaftliche Definition des Sehens ist eine physikalische Größe, die das Ausmaß beschreibt, in dem die Ziele astronomischer Beobachtung aufgrund des Einflusses atmosphärischer Turbulenzen unscharf und flackernd erscheinen. Es wird normalerweise in Grad ausgedrückt. Je kleiner der Winkel, desto besser sind die Sichtbedingungen und wir können natürlich einen klareren Sternenhimmel sehen. Genau genommen fällt die Untersuchung des Seeings in den Bereich der Atmosphärenforschung. Astronomische Forscher messen normalerweise nur den numerischen Wert und erstellen selten meteorologische Modelle, um ihn gezielt zu analysieren.

Schüler, die ein gewisses Verständnis für das Konzept der Auflösung haben, sollten wissen, dass die Auflösung eines Teleskops umso höher ist, je größer die Öffnung ist. Dies bedeutet, dass es zwei benachbarte Objekte in der Ferne besser unterscheiden kann und das Bild, das wir sehen, umso klarer ist.

Die Auflösungsformel des Teleskops: λ bezieht sich auf die Wellenlänge des Lichts (sichtbares Licht liegt im Allgemeinen zwischen 300 und 800 nm), D ist der Durchmesser des Teleskops und θ ist der minimale Auflösungswinkel, den das Teleskop sehen kann.

Mit dieser Berechnung können diese großen Teleskope theoretisch eine Auflösung von Millibogensekunden (1 Grad = 3600 Bogensekunden) erreichen, aber aufgrund der Auswirkungen der Atmosphäre kann die theoretische Auflösung nicht immer erreicht werden. Derzeit konzentrieren sich die besten Teleskope der Welt auf hervorragende Standorte auf Hawaii und im Norden Chiles, wo die Sichtweite im Allgemeinen 0,6 bis 0,8 Bogensekunden beträgt, was leider weit von der Leistung des Teleskops selbst entfernt ist.

Wenn wir mit einem so schwierigen Problem konfrontiert werden, haben wir normalerweise zwei Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, wie das Hubble-Teleskop in den Weltraum zu fliegen. Leider ist die Raumfahrt kompliziert und teuer. Wenn einem Instrument etwas zustößt, ist die Reparatur sehr aufwendig. Warum sonst wurde das James-Webb-Teleskop noch nicht ins All geschossen? Ein anderer Ansatz besteht darin, adaptive Optiken am Boden zu verwenden, um zu versuchen, durch atmosphärische Schwankungen verursachte Fehler auszugleichen. Allerdings kann diese Technologie, die seit den 1990er Jahren in der Astronomie eingesetzt wird, Fehler nur kompensieren, aber nicht vollständig eliminieren. Daher ist es sinnvoll, die Aufgabe der Erforschung der besten Beobachtungspunkte der Erde fortzusetzen.

Tatsächlich ist uns das Konzept des Sehens nicht weit entfernt und gewöhnliche Astronomie-Enthusiasten beschäftigen sich oft damit. Sobald Sie eine App wie Sunny Day Clock herunterladen, finden Sie die Spalte mit dem Sichtgrad. Je kleiner der Kreis, desto kleiner der Seeing-Wert und desto besser der Beobachtungseffekt.

Informationen über die Miyun-Station des Nationalen Astronomischen Observatoriums, angezeigt von der Software

Die Ermittlungen hinter den Kulissen

Die Antarktis ist ein isolierter Ort mit wenigen Anzeichen menschlicher Aktivitäten. Es liegt insgesamt hoch über dem Meeresspiegel und hat wenig Lichtverschmutzung. Solange das Problem des Gerätebetriebs bei extremer Kälte gelöst werden kann, ist dies natürlich ein guter Ort zum Bau eines astronomischen Observatoriums. Und unter den Bedingungen hoher Breitengrade können wir mithilfe der einzigartigen Polarnachtszene bestimmte Bereiche des Himmels, die uns interessieren, 24 Stunden lang ununterbrochen verfolgen.

Dieses Mal ergab die Erkundung von Kuppel A, dass die niedrigste Sicht an diesem Ort 0,13 Bogensekunden erreichen kann und die durch Langzeitmessung gemessene durchschnittliche Sicht 0,31 Bogensekunden beträgt, was viel besser ist als bei unserer vorherigen Standortauswahl. Bevor die optimalen Ergebnisse von Kuppel A herauskamen, lagen die Seeing-Daten von Kuppel C mit einem Durchschnittswert von etwa 0,23–0,26 Bogensekunden in einer relativ führenden Position.

Tatsächlich wurde in der wissenschaftlichen Gemeinschaft schon vor langer Zeit spekuliert, dass Kuppel A der beste Beobachtungsstandort auf der Erde sein dürfte. Seit 2005 haben die wissenschaftlichen Expeditionsteams meines Landes dieses Gebiet betreten, die Untersuchung von Kuppel A abgeschlossen und Vorbereitungen für den Bau einer Station hier getroffen. Im Jahr 2009 haben wir unsere dritte wissenschaftliche Forschungsstation in der Antarktis gegründet – die Kunlun-Station. Es handelt sich zudem um die erste wissenschaftliche Forschungsstation im Landesinneren der Antarktis in China und liegt am nördlichen Ende der gesamten Antarktis. Nachfolgende wissenschaftliche Expeditionsteams begannen hier mit der Errichtung von Beobachtungsgeräten.

Die diesmaligen Beobachtungsergebnisse an Kuppel A basieren noch auf den Arbeiten der 35. wissenschaftlichen Expedition im Jahr 2019. Der für die Astronomie zuständige Forscher Shang Zhaohui hat das neue Kunlun-Teleskop (vollständiger Name: Kunlun Differential Image Motion Monitor, auf Englisch abgekürzt KL-DIMM) eingesetzt. Die Hauptaufgabe des Kunlun-Teleskops besteht in der Messung der Sichtruhe, die es uns ermöglicht, die Eigenschaften des Observatoriumsstandorts der Kunlun-Station an Kuppel A quantitativ zu bewerten.

Interessanterweise ist es nicht direkt am Boden befestigt, sondern auf einem 8 m hohen Turm platziert. Dies liegt daran, dass die Dicke der atmosphärischen Grenzschicht hier gering ist und nur etwa 13,9 m beträgt. Solange Sie sich über dieser Höhe befinden, können Sie Bodenturbulenzen vermeiden und haben hervorragende Sichtbedingungen. Gleichzeitig ist auch die Errichtung des Turms äußerst raffiniert. Bei einer Windgeschwindigkeit von 8 m/s kann die Erschütterung der oberen Plattform weniger als 3 mm betragen. Die zu beobachtenden Sterne werden in unserem Blickfeld fest eingegrenzt und blitzen nicht mehr „vorbei“.

Ein Paar Kunlun-Teleskope und -Türme (Bildquelle: Shang Zhaohui)

Es ist wie bei Bauklötzen: Je höher man sie stapelt, desto leichter fallen sie um. Für unseren Turm ist es schwierig, in einer Höhe von 14 m stabil zu bleiben, aber im Vergleich zur Kuppel C nebenan ist es viel einfacher. Die Dicke der Grenzschicht am Dome C beträgt etwa 30 m. Um hier ähnliche Beobachtungseffekte zu erzielen, müssen wir einen stabilen Turm mit einer Höhe von über 30 Metern bauen. Diese Aufgabe ist sowohl zeitaufwändig als auch teuer.

Bisher waren wir immer der Meinung, dass sich Kuppel A gut zur Sternenbeobachtung eignet, es fehlten jedoch ausreichende Daten, um seine spezifischen Vorteile zu belegen. Die diesmal gesammelten Sichtdaten sowie die zahlreichen meteorologischen Beobachtungsgeräte, die in der Nähe zusammenarbeiten, geben uns genügend Grund zu der Annahme, dass Kuppel A die beste ist und wir nicht weit davon entfernt sind, dort ein Teleskop zu bauen.

Die dazugehörige mehrschichtige automatische Wetterstation KLAWS-2G (links) und zwei Instrumente zur Überwachung der Wolkendecke und des Polarlichts KLCAM (auf die der rechte Pfeil zeigt) (Bildquelle: Shang Zhaohui)

Ein kleiner Ausblick

Tatsächlich ist es viel praktischer, einen Spiegel in der Antarktis aufzustellen als im Weltraum, doch selbst wenn es für die spätere Wartung praktisch ist, ist es nicht realistisch, dort für längere Zeit Menschen bei so niedrigen Temperaturen zu stationieren. Daher müssen wir beim Bau eines neuen Teleskops in der Antarktis, insbesondere auf Kuppel A, auf eine gute Stabilität achten, damit es sich an den Betrieb bei extrem niedrigen Temperaturen anpassen kann und wir das Terminal für die Beobachtung von zu Hause aus steuern können.

Genau das tun wir jetzt. Für den Betrieb des Kunlun-Teleskops ist keine Anwesenheit vor Ort erforderlich. Es wurde für den Betrieb bei Temperaturen von minus 80 Grad Celsius konzipiert. Um die Stromversorgung müssen wir uns keine Sorgen machen. In der Antarktis ist es extrem kalt und die Sonneneinstrahlung ist gering. Die Verwendung von Solarmodulen ist teuer und umständlich und die Energie reicht möglicherweise nicht aus, um den Bedarf zu decken. Deshalb stellen wir einfach einen Behälter voller Batterien neben das Teleskop, das ist praktisch und stabil. Ein Koffer ist ein Jahr lang nutzbar. Jedenfalls finden jedes Jahr wissenschaftliche Expeditionsmissionen statt. Wenn es soweit ist, können Sie einfach hierher kommen, um die Batterie zu wechseln. Es wird nicht allzu lange dauern.

Astronomische Baustelle der Kunlun-Station (Fotoquelle: Nationales Astronomisches Observatorium)

Wenn wir hier jemanden mit der Wache beauftragen, wird die Versorgung zum Problem und es wäre langweilig, den ganzen Tag von Eis und Schnee umgeben zu sein. Schließlich möchte niemand das ganze Jahr über unter der Kälte leiden. Wäre es nicht besser, den gesamten Prozess zu automatisieren?

Tatsächlich eignet sich Kuppel A nicht nur für sichtbare optische Teleskope, sondern ist aufgrund ihres extrem trockenen Klimas und der sauberen elektromagnetischen Umgebung auch besonders für Radioteleskope geeignet. Umweltmessungen im Terahertz-Band werden es den Radioteleskopen hier ermöglichen, mehr elektromagnetische Bänder zu beobachten …

Kurz gesagt, dies ist ein wertvolles Land und es wird in Zukunft sicherlich zu unseren heimischen astronomischen Unternehmungen beitragen.

Quellen:

[1] Ma, B., Shang, Z., Hu, Y. et al. Nächtliche Messungen der astronomischen Sicht am Dome A in der Antarktis. Nature 583, 771–774 (2020).

[2] DOME A – DER KÄLTESTE ORT DER ERDE http://suo.im/5DBxbx

[3] Chinesische Astronomen bestätigen, dass Dome A in der Antarktis der beste Standort für ein bodengebundenes optisches astronomisches Observatorium ist - National Science Foundation of China - http://suo.im/5DBxaJ

[4] Astronomische Beobachtung – Wikipedia http://suo.im/5w5jIu

[5] Scambos, TA; Campbell, GG; Pope, A.; Haran, T.; Muto, A.; Lazzara, M.; Reijmer, CH; Van Den Broeke, MR (2018)