Um den Himmel zu beobachten, benötigen Sie einen günstigen Standort. Wo ist der beste Platz für ein Teleskop?

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Su Zian

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Es gab eine interessante Geschichte in der Geschichte der Wissenschaft.

Im Jahr 1998 empfingen australische Wissenschaftler mit einem Radioteleskop ein ungewöhnlich starkes Pulssignal. Dieses Signal wurde in über einem Jahrzehnt mehr als 40 Mal beobachtet, im Durchschnitt nur einige Male pro Jahr, aber der Zeitpunkt seines Auftretens ist unregelmäßig.

Damals dachten alle, es handele sich um eine historische Entdeckung und stellten verschiedene Spekulationen an. Manche glauben sogar, dass es sich dabei um ein Kommunikationssignal von Außerirdischen handelt. Das Rätsel wurde erst 17 Jahre später gelöst, als ein Wissenschaftler entdeckte, dass das empfangene Signal tatsächlich von einem Mikrowellenherd im Labor ausgesendet wurde.

Astronomie ist eine Disziplin der Beobachtung und Entdeckung. Sieben der neun Nobelpreise im Bereich Astronomie werden für Entdeckungen durch Beobachtungen verliehen. Teleskope sind für den Menschen ein wichtiges Mittel, um das Unbekannte zu beobachten und zu erforschen. Das gerade erwähnte Radioteleskop ist eine Art astronomisches Teleskop.

Je nach Beobachtungsbandbreite und -methode können astronomische Teleskope in optische Teleskope, Radioteleskope, Weltraumteleskope usw. unterteilt werden. Neben der Leistung des Teleskops selbst, die die Ergebnisse astronomischer Beobachtungen beeinflusst, haben auch menschliche Aktivitäten einen großen Einfluss auf astronomische Beobachtungen. Aus diesem Grund sind die Standortwahl und der Aufbau astronomischer Teleskope sehr genau, denn die kleinste „Nachlässigkeit“ kann zu Irreführungen führen.

Wie wählt man also einen geeigneten Standort für ein astronomisches Teleskop aus? Lassen Sie es uns heute im Detail vorstellen.

Bildquelle: Veer Gallery

Optische Teleskope: Zu hell ist nicht gut, und Störungen durch atmosphärische Aktivitäten sind auch nicht gut

Bei der Beobachtung des Sternenhimmels ist „Lichtverschmutzung“ das Letzte, was ein optisches Teleskop sehen möchte.

Unter „Lichtverschmutzung“ versteht man die negativen Auswirkungen unnötigen oder überflüssigen Lichts auf den Menschen und die natürliche Ökologie der Erde. Dazu gehören die weiße Lichtverschmutzung am Tag (z. B. Gebäude, die Sonnenlicht reflektieren) sowie die künstliche Tageslichtverschmutzung und die farbige Lichtverschmutzung in der Nacht.

Die Auswirkungen der Lichtverschmutzung auf astronomische Beobachtungen zeigen sich hauptsächlich in zwei Aspekten: Einerseits wird der Nachthimmelhintergrund (die Helligkeitseigenschaften des Nachthimmelhintergrunds) dadurch immer heller, was zu einer Verringerung des Kontrasts zwischen der Helligkeit der Himmelskörper und dem Nachthimmelhintergrund führt, was wiederum die Grenzgröße der Beobachtung beeinflusst (d. h. den Größenwert des schwächsten sichtbaren Sterns). Generell gilt: Wenn die Helligkeit des Himmels durch künstliche Lichtverschmutzung um das Fünffache zunimmt, erhöht sich die Helligkeit des schwächsten beobachtbaren Sterns um fast das Zweifache.

Andererseits wird dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis (das Verhältnis des Signals zum Rauschen, das bei der Beobachtung von Himmelskörpern erhalten wird) bei astronomischen Beobachtungen verringert. Generell gilt: Je höher das Signal-Rausch-Verhältnis, desto besser der Beobachtungseffekt und desto höher die Zuverlässigkeit. Um das gleiche Signal-Rausch-Verhältnis wie hellere Objekte zu erreichen, benötigen dunklere Objekte mehr Beobachtungszeit, was bedeutet, dass die Beobachtungseffizienz relativ geringer ist. Wenn sich die Helligkeit des Himmels aufgrund künstlicher Lichtverschmutzung um das Fünffache erhöht, verringert sich das Signal-Rausch-Verhältnis der beobachteten Himmelskörper auf etwa 40 % des ursprünglichen Wertes, was für die Beobachtung schwächerer Sterne nahezu fatal ist.

Bei astronomischen Beobachtungen beeinträchtigt die Lichtverschmutzung die Qualität der Beobachtungen erheblich, schwächt die Fähigkeit zur Beobachtung schwacher Himmelskörper und führt sogar dazu, dass einige Observatorien „umziehen“ oder neue Beobachtungsbasen bauen müssen, um die Auswirkungen der Lichtverschmutzung zu vermeiden. So wurde beispielsweise im Jahr 1947 das berühmte Greenwich-Observatorium 70 Kilometer nach Süden verlegt.

Um die zunehmend schwerwiegende Lichtverschmutzung zu vermeiden, hat das Sheshan-Observatorium des Shanghai Astronomical Observatory in meinem Land eine neue Beobachtungsbasis in Anji, Zhejiang, errichtet. das Purple Mountain Observatory von Nanjing baute eine neue Station in Xuyi, Jiangsu; und das Yunnan-Observatorium baute außerdem einen neuen Beobachtungspunkt in einem abgelegenen Bergdorf in Lijiang.

Derzeit haben die größten Observatorien auf der ganzen Welt entsprechende Gesetze und Vorschriften erlassen, um die Auswirkungen der Lichtverschmutzung auf die astronomische Beobachtung und Forschung zu kontrollieren. Auch neu errichtete Observatorien in meinem Land, wie etwa das Ali-Observatorium in Tibet, haben in der Nähe Naturschutzgebiete mit dunklem Himmel eingerichtet, um die Standortbedingungen zu schützen. Die Internationale Astronomische Union (IAU) hat außerdem ein spezielles B7-Komitee eingerichtet, das sich dem Schutz bestehender und potenzieller Observatoriumsstandorte widmet, um eine Kontamination durch elektromagnetische Strahlung in verschiedenen Bändern (einschließlich sichtbarer Lichtverschmutzung und Funkwellenstörungen) zu vermeiden.

Nachtansichten von Peking und Tianjin von der Internationalen Raumstation (Bildquelle: NASA)

Neben der Berücksichtigung der Lichtverschmutzung gibt es bei der Auswahl eines Standorts für ein optisches Teleskop noch viele weitere Aspekte zu berücksichtigen.

„Die Sterne blinken und der Mond zeichnet ein Fragezeichen.“ Der Grund für das „Blinken“ der Sterne liegt darin, dass das Licht beim Durchgang durch die Erdatmosphäre durch atmosphärische Turbulenzen gestört wird, was zu einer unregelmäßigen Brechung führt. Gleichzeitig absorbiert und streut die Erdatmosphäre Licht, was die Beobachtung von Himmelskörpern durch optische Teleskope beeinträchtigt. Daher ist bei der Auswahl eines Standorts für ein optisches Teleskop die Minimierung von Störungen durch atmosphärische Aktivitäten das wichtigste Auswahlkriterium.

Aus klimatischer Sicht sollte der Standort eines hervorragenden Observatoriums Bedingungen wie trockenes Klima, viele Sonnentage und eine stabile Atmosphäre (relativ konstante Temperatur) erfüllen. Die meisten astronomischen Observatorien meines Landes liegen in der Nähe von Wasser, da Wasser als „Thermostat“ fungieren kann, die durch thermische Konvektion verursachten atmosphärischen Turbulenzen verringert und die Sicht (die Klarheit des vom Teleskop angezeigten Bildes) verbessert.

Nationales Astronomisches Observatorium, Beobachtungsstation Huairou (Bildquelle: vom Autor erstellt)

Die Sichtbedingungen an bedeutenden optischen Observatorien der Welt, wie etwa dem Mauna Kea auf Hawaii, La Palma auf den Kanarischen Inseln oder der Atacama-Wüste in Südamerika, sind ideal. Wir können sehen, dass sich die meisten dieser Observatorien in der Nähe von Wasser, auf Berggipfeln oder in Wüsten befinden, also in Gebieten, die die oben genannten Bedingungen so weit wie möglich erfüllen können. Allerdings wirken sich menschliche Aktivitäten zunehmend auf diese astronomischen Beobachtungspunkte aus.

Nehmen Sie als Beispiel die Atacama-Wüste. Sie ist als astronomische Hauptstadt der Welt bekannt und beherbergt zahlreiche Observatorien. Beobachtungsdaten zeigen, dass die Durchschnittstemperatur in der Wüste in den letzten 40 Jahren um 1,5 Grad Celsius gestiegen ist, was die Kühlung der Instrumente verhindert und die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls des Observatoriums erhöht.

Gleichzeitig ist die Atacama-Wüste mit einem durchschnittlichen Jahresniederschlag von weniger als 0,1 mm eines der trockensten Gebiete der Welt. Doch in den letzten Jahren hat die globale Erwärmung zu einer Zunahme extremer Wetterereignisse geführt und die Niederschlagsmengen in der Wüste haben zugenommen. Im Jahr 2015 entsprach die Niederschlagsmenge eines Regenfalls der gesamten Niederschlagsmenge der vergangenen sieben Jahre. Durch die Verringerung der Sonnentage verringert sich die Zahl der beobachtbaren Tage, was sich zwangsläufig auf die Beobachtungen auswirken wird.

Gleichzeitig führen steigende Temperaturen auch zu einer Zunahme von Waldbränden, die eine enorme Bedrohung für Observatorien darstellen. Am Beispiel der Waldbrände in Kalifornien im Jahr 2020 brannte das Hidden Hill Observatory nieder und das nicht weit entfernte Wilson Observatory wurde durch die Waldbrände auf einer Länge von etwa 150 Metern erodiert. Nur durch den großen Einsatz der Feuerwehr konnte die Rettung gelingen. Gleichzeitig retteten Feuerwehrleute auch das 133 Jahre alte Lick-Observatorium. Das Feuer hatte sich bereits bis zum Gipfel des Berges ausgebreitet, doch glücklicherweise blieb die gesamte Ausrüstung verschont.

Lick Observatory (Bildquelle: https://www.cnbeta.com/)

Zusätzlich zu diesen intuitiven Bedingungen gibt es viele Änderungen, die im Stillen erfolgen: Beispielsweise wird die durch steigende Temperaturen verursachte Zunahme atmosphärischer Turbulenzen die Beobachtungsmöglichkeiten des Teleskops einschränken; Durch die Luftverschmutzung erhöht sich die Zahl der Aerosole in der Luft, was wiederum die vom Teleskop beobachtete Lichtmenge verringert.

Vielleicht wird der Sternenhimmel, den man durch das Teleskop sieht, eines Tages grau sein.

Radioteleskop: Ich möchte mein Leben in einer unbewohnten Gegend verbringen

Nachdem wir über optische Teleskope gesprochen haben, wollen wir nun über Radioteleskope sprechen, die weniger verbreitet zu sein scheinen. Es gibt viele Arten von Radioteleskopen, darunter Einzelantennen-, Radio-Array- (Synthetic Aperture) und Very Long Baseline Interferometry-Teleskope. Das bekannteste in meinem Land ist das Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) in Guizhou, das immer auf jeder Urlaubs-Check-in-Liste steht.

Obwohl es in der Sehenswürdigkeit klare Vorschriften gibt, wie beispielsweise eine tägliche Passagierbegrenzung und ein Verbot des Mitführens von Signalübertragungsgeräten, können diese Maßnahmen die Auswirkungen menschlichen Verhaltens auf FAST nicht ausschließen. Wenn möglich, möchte FAST vielleicht einfach in einem unbewohnten Gebiet bleiben und dort still und leise als Teleskop dienen.

Radioteleskope empfangen elektromagnetische Strahlungssignale von weit entfernten Himmelskörpern. FAST verfügt über eine hohe Empfindlichkeit und kann extrem schwache Signale aus dem Universum empfangen, was für die Erforschung weit entfernter, unbekannter Gebiete von großer Bedeutung ist. Wenn jedoch während des Betriebs elektromagnetische Wellen in der Nähe ausgestrahlt werden, wird die Funktion erheblich beeinträchtigt.

Um den normalen Betrieb von FAST sicherzustellen, hat die lokale Regierung spezielle Vorschriften erlassen, die vorschreiben, dass die Einrichtung und Nutzung von Funkstationen im Kernbereich von FAST im Umkreis von fünf Kilometern streng verboten ist und dass der Bau von Anlagen, die elektromagnetische Wellen erzeugen, streng verboten ist. Dies bedeutet, dass Mobiltelefone, Fernseher, Mikrowellenherde, Induktionsherde, Benzinautos usw. innerhalb der Reichweite nicht verwendet werden dürfen.

Darüber hinaus wirken sich die durch das Kommen und Gehen der Touristen verursachten Vibrationen oder Hintergrundgeräusche stark auf die Präzisionsinstrumente aus und führen zu einer Verschlechterung der Datenqualität von FAST.

FAST-Teleskop (Bildquelle: vom Autor erstellt)

Weltraumteleskop: Vorsicht vor versteckten „Killern“ am Sternenhimmel

Die oben genannten Einflüsse können alle künstlich gelöst werden, aber im Universum schwebende Weltraumteleskope sind dem Einfluss einiger unkontrollierbarer Faktoren ausgesetzt, beispielsweise Weltraummüll.

Unter „Weltraummüll“ versteht man alle von Menschenhand geschaffenen, aber nicht mehr funktionierenden Objekte und deren Bestandteile, die die Erde umkreisen oder in die Atmosphäre eintreten. Einfach ausgedrückt handelt es sich um ein ausgefallenes Raumschiff oder seine Fragmente, die die Erde umkreisen.

Seit Beginn der Weltraumaktivitäten des Menschen nimmt die Menge an Weltraummüll von Jahr zu Jahr zu. Verlassene Raumfahrzeuge oder durch Zerfall entstandene Fragmente von Raumfahrzeugen sind die Hauptquellen von Weltraummüll. Manchmal können auch menschliche Aktivitäten selbst große Mengen Weltraummüll verursachen. Um die Kommunikation auszubauen, verteilten die Vereinigten Staaten beispielsweise im Jahr 1963 350 Millionen Kupfernadeln in der polaren Umlaufbahn, um einen Kupfernadelgürtel zu bilden. Allerdings spielten diese Kupfernadeln nicht die erwartete Rolle. Nach Abschluss ihrer ersten Radioreflexionsmission wichen viele von ihnen von ihren vorbestimmten Umlaufbahnen ab und blieben für lange Zeit im Weltraum.

Zwischen 1980 und 1988 startete die Sowjetunion 16 nuklearbetriebene Meeresüberwachungssatelliten. Dabei nutzte sie das Flüssigmetall NaK als Kondensationsmittel und warf den Reaktorkern aus, nachdem der Satellit seine Arbeit beendet hatte. Schätzungen zufolge sind etwa 264.000 Kondensatpartikel in der Umlaufbahn gefangen und stellen einen Teil der Quelle des Weltraummülls dar. Gleichzeitig sind auch der lebende Müll und die persönlichen Gegenstände der Astronauten (wie etwa die Handschuhe des Astronauten Ed White) zu ziemlich „interessantem“ Weltraumschrott geworden.

Die durchschnittliche Relativgeschwindigkeit von Weltraummüll und Raumfahrzeugen in der Umlaufbahn beträgt etwa 10 km/s. Bei derartigen Hochgeschwindigkeitsbedingungen kann selbst der Aufprall millimetergroßer Trümmer die Außenhülle des Raumfahrzeugs durchbohren oder sogar zur Zerstörung des Raumfahrzeugs führen.

Die Oberflächen vieler Recyclinggeräte weisen Unebenheiten auf, die durch den Aufprall von Schutt entstehen. Das Bild unten zeigt die Aufprallschäden des berühmten Weltraumteleskops, des Hubble-Weltraumteleskops. Im Dezember 1999 fotografierten Astronauten alle sichtbaren Bereiche der Außenhülle des Hubble-Teleskops und identifizierten 571 deutliche Hochgeschwindigkeitseinschlagsmerkmale mit einer durchschnittlichen Einschlagdichte von etwa 45 pro Quadratmeter.

Einschlagkrater des Hubble-Teleskops (Bildnachweis: NASA)

Da die meisten Weltraumteleskope direkt im Weltraum exponiert sind, stellt Weltraummüll eine ständige Bedrohung für ihre Sicherheit dar und kann sogar dazu führen, dass sie überhaupt nicht mehr funktionieren. So kam es beispielsweise zum Ausfall des Satellits XMM-Newton, weil sein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) getroffen wurde.

Generell gilt, dass bei Splittern unter einem Zentimeter eine Schutzschicht angebracht werden sollte, um den Aufprallschaden zu minimieren. Bei Fragmenten über dem Zentimeterbereich müssen diese nummeriert und aktiv vermieden werden.

Obwohl verschiedene Länder auch aktiv reagieren wollen, haben sie Methoden wie Roboterarme, Laser und leichte Gaskanonen vorgeschlagen, um die Menschen einzufangen oder zu verbrennen. Darüber hinaus wurde eine internationale Kooperationsorganisation, das Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), gegründet, um gemeinsam mit den großen Weltraummächten das Problem des Weltraummülls anzugehen. Doch bislang zeigten die meisten dieser Maßnahmen kaum Wirkung.

Wenn wir über Flugobjekte im Weltraum sprechen, müssen wir über das berühmte „Starlink-Projekt“ sprechen. Geplant ist der Start einer großen Anzahl (ursprünglich 12.000) von Starlink-Satelliten. Für optische Teleskope sind sie gleichbedeutend mit kleinen hellen Himmelskörpern, die nicht nur die Lichtverschmutzung erhöhen und die Beobachtung schwacher Himmelskörper beeinträchtigen, sondern auch dazu führen, dass einige astronomische Bilder überbelichtet und unbrauchbar werden.

Bei Radioteleskopen werden Zehntausende Starlink-Satelliten viele Radiowellenkanäle belegen, was sich direkt auf Radioteleskope auswirkt, die Hochfrequenzsignale beobachten.

Wissenschaftler schätzen, dass die Empfindlichkeit der Downlink-Bänder bestimmter Radioteleskope, deren Frequenzen mit ihnen in Konflikt stehen, um 70 % verloren gehen wird, wenn die Anzahl der Starlink-Satelliten 6.400 erreicht. Wenn dieser Wert 100.000 erreicht, könnten diese Frequenzbänder völlig unbrauchbar werden.

Da Starlink-Satelliten gleichzeitig ihre Umlaufbahnen automatisch ändern und nicht in festen Umlaufbahnen operieren, stellen sie auch eine gewisse Bedrohung für andere Raumfahrzeuge im Weltraum dar. Im September 2019 musste der ESA-Satellit Aeolus Notmanöver durchführen, um eine Kollision mit dem Starlink-Satelliten zu vermeiden.

Es gibt so viele Unbekannte im riesigen Meer der Sterne, die darauf warten, von uns beobachtet und erforscht zu werden. Nach oben zu schauen und den Sternenhimmel zu betrachten, ist nicht nur ein Recht für jeden von uns, sondern auch ein Glaube an die Erforschung des Universums. Ich hoffe, dass unsere „Augen“, die in den Weltraum blicken, immer klar und hell sein werden.