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Wenn das Flugzeugobservatorium SOFIA im April 2011 abhebt, startet eine 20 Jahre dauernde konkurrenzlose Forschungsmission

Eigentlich schon seit 1997 in der Planung, steht das fliegende Teleskop SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) nach jahrelangen Verzögerungen nunmehr endlich kurz davor, seine wissenschaftliche Arbeit aufzunehmen. Mindestens 19.200 Stunden soll der auf der Backbordseite des hinteren Rumpfes montierte 2,7-Meter-Spiegel binnen 160 Beobachtungsflüge pro Jahr im Einsatz sein, um junge Sterne, Planeten jeglicher Couleur sowie Galaxien aufzuspüren und um auch ein Auge auf das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxis zu werfen. SOFIA avanciert zur besten und leistungsstärksten Flugzeugsternwarte, die jemals gebaut und technisch realisiert wurde. Und der Erfolg scheint programmiert, da SOFIA einen Wellenbereich im Infrarotspektrum abdeckt, den bislang weder ein bodengebundenes noch ein Weltraumteleskop abzudecken vermochte.

Abseits der städtischen Lichtverschmutzung, eingebettet in zerklüfteten, sonnenverwöhnten und menschenleeren Landschaften, die sich auf hochgelegenen Plateaus erstrecken, erstrahlen die bodengebundenen Teleskope unseres Zeitalters bisweilen in derart majestätischer Schönheit, dass der Verdacht naheliegt, die Wahl ihres Standortes hätte allein das traumhafte Panorama bedingt. Doch in Wahrheit sind solch einsame Landstriche bei Astronomen deshalb beliebt, weil diese von dort – oft mehr als 300 Tage im Jahr – den Sternhimmel in bestimmten Bereichen des elektromagnetischen Spektrums nahezu störungsfrei observieren können.

Informationsreiches Infrarotlicht

Doch trotz der besten und leistungsstärksten Sternwarten konnten bislang nicht alle Astronomen in der Vergangenheit ungetrübt in den getrübten Himmel schauen. Vor allem die Infrarot-Astronomen, die diesen Ausschnitt des Lichts seinerzeit mit den damals sensibelsten zur Verfügung stehenden erdgebundenen Fernrohren und Spektografen analysierten, stießen stets an die Grenzen des noch Sichtbaren. Heute sieht dies nicht anders aus. Nach wie vor blockiert der in den unteren Luftschichten reichhaltig vorhandene Wasserdampf nahezu vollständig die Infrarot-Strahlung, die aus dem Weltraum auf die Erde trifft.

Sogar auf dem 4.200 Meter hochgelegenen erloschenen Vulkan Mauna Kea [1] (Hawaii) oder an der Europäischen Südsternwarte (ESO [2]) in Chile, wo Dutzende Teleskope in den Himmel starren, kommen Infrarot-Astronomen nichts vollends auf ihre Kosten. Selbst in diesen Gefilden verschluckt der Wasserdampf noch einen Großteil der eingehenden Wärmestrahlung, welche sich im elektromagnetischen Spektrum zwischen dem optischen Licht und dem Submillimeter-Bereich erstreckt und die in drei weitere Gruppen unterteilt wird:

• naher Infrarotbereich (NIR) mit Wellenlängen zwischen 750 nm bis 5000 nm (nm=Nanometer)
• mittlerer Infrarotbereich (MIR) mit Wellenlängen zwischen 5 μm (μm =Mikrometer) bis 30 μm
• ferner Infrarotbereich (FIR) mit Wellenlängen zwischen 30 μm bis 300 μm.

Angesichts der astronomischen Gegebenheit, dass viele Himmelskörper am stärksten im infraroten Bereich des Lichtes emittieren und Wärmestrahlung selbst dunkle Gas- und interstellare Staubwolken mit spielender Leichtigkeit durchdringt, wird deutlich, wie groß der Informationsverlust für die Astronomie bislang war. Für das Studium von Spiralgalaxien, die im Infrarotbereich bis zu tausendmal stärker als im sichtbaren Bereich strahlen, ist Wärmestrahlung unverzichtbar. Denn dank ihr werden auch ferne Staubnebel, junge Planeten und Sonnensysteme sichtbar – und sogar zum Teil das Zentrum unserer Milchstraße, in dem ein Schwarzes Loch [3] vermutet wird.

Vom Ballon und Flugzeug zum Satelliten

Wohl wissend, dass der atmosphärische Wasserdampf die Infrarot-Strahlung ausgesprochen wirksam absorbiert und daher erdgebundene Teleskope nur in einem Fenster von unterhalb 1 Mikrometer (μm) und in einigen kleineren bis zirka 40 μm operieren können, machten die Infrarot-Astronomen bereits vor 50 Jahren aus ihrer Not eine Tugend. Um die Empfindlichkeit des Instrumentariums und die Bildqualität merklich zu optimieren, sandten sie seinerzeit hochfliegende Ballons in die Stratosphäre, an denen kleinere Infrarot-Teleskope befestigt waren. Kurz danach schossen sie auch ballistische, mit Infrarot-Sensoren bestückte Höhenforschungsraketen in die Atmosphäre. Parallel dazu feierte die Flugzeugastronomie ihre Geburtsstunde, als 1969 ein umgerüsteter Lear Jet erstmals nach Infrarotwellen jagte. Da aber in dem umfunktionierten Geschäftsflugzeug maximal nur zwei Astronomen und ein 30-Zentimeter-Teleskop Platz fanden, sahen sich die Forscher alsbald nach einem größeren und vielseitig verwendbaren Trägerflugzeug um.

So zelebrierte 1974 das Kuiper Airborne Observatorium (KAO [4]), ein umgebauter Truppentransporter vom Modell Lockheed L200 Starlifter (militärische Bezeichnung C 141) seine Premiere. Ausgerüstet mit einem eingebauten 91,5-Zentimeter-Reflektor absolvierte der Jet bis 1994 jährlich etwa 60 bis 80 Flüge (je 7 Stunden Flugzeit).

In weitaus höheren Sphären zog ab dem Jahr 1983 der erste Infrarot-Satellit der Wissenschaftsgeschichte seine Kreise. In einer Höhe von zirka 900 Kilometern konnten IRAS [5] (Infrared Astronomical Satellite) und das bordeigene 57-Zentimeter-Teleskop mitsamt allen Detektoren den Temperaturschwankungen im Orbit nur neun Monate Paroli bieten. Das Ziel, den kompletten Himmel nach neuen Infrarot-Quellen zu durchmustern, schlug fehl, weil das Kühlungssystem des Satelliten (flüssiges Helium) früher aufgebraucht war als vorgesehen. Annähernd zwölf Jahre lang stand der Astronomie kein Infrarot-Weltraumobservatorium zur Verfügung. Erst Ende 1995 startete das ESA-NASA-Teleskop ISO [6] (Infrared Space Observatory) mit einer Ariane 44P ins All und agierte überaus erfolgreich. Waren ursprünglich 1,5 Jahre Betriebsdauer eingeplant, so „überlebte“ der 60-Zentimeter-Spiegel, der eine Brennweite von neun Metern generierte und ein Gesichtsfeld von 20 Bogenminuten aufwies, immerhin 26 Monate.

SOFIA – eine kurze Vorgeschichte

Als die ISO-Sternwarte bereits auf dem Reißbrett an Konturen gewonnen hatte, kam Anfang der 1990er Jahre auch in Deutschland die Idee auf, ein Nachfolgeflugzeug zu konstruieren, das noch empfindlichere Messungen erlaubte, zumal das KAO-Observatorium vorwiegend von US-Wissenschaftler genutzt wurde. Nach einer zehnjährigen Diskussions- und Studienphase kauften die US-Raumfahrtbehörden NASA und das Deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum DLR [7] 1996 eine Boeing 747 SP, eine verkürzte Version eines Jumbo-Jets, die von 1977 bis 1995 bei den US-Fluggesellschaften PANAM und United Airlines im Linienverkehr im Einsatz war. Noch während des Umbaus der ehemaligen Verkehrsmaschine wurde der KAO-Nachfolger auf den symbolträchtigen Namen SOFIA [8] (Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy) getauft (griechisch-lateinisch: Sophia = Weisheit).

Als das Flugzeug 1997 erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt wurde, versank es kurzerhand aus finanziellen Gründen für nahezu zehn Jahre wieder in der Versenkung. Erst 2007 ging der erste Testflug erfolgreich über die Bühne. Nachdem das Flugzeugobservatorium am 26. Mai 2010 elf Kilometer über dem Erdboden sein "First Light" feierte und die Infrarotkamera FORCAST [9] (Faint Object InfraRed-Camera) des SOFIA-Teleskops von der Galaxie M82 und dem Planeten Jupiter bei verschiedenen Infrarotwellenlängen vielversprechende Bilder aufnahm, startete SOFIA am 1. Dezember 2010 erneut von ihrer Heimbasis, der NASA Dryden Aircraft Operations Facility [10] in Palmdale (Kalifornien).

Während eines mehrstündigen Flugs visierte das 2,7 Meter-Teleskop erstmals in wissenschaftlicher Mission ein astronomisches Ziel an. FORCAST fotografierte den Orionnebel (Messier 42) auf einer Wellenlänge im mittleren Infrarot, die zwischen 19,7 und 37,1 Mikrometern lag.

Flexibler als Satellit

Auch wenn das leistungsfähigste und hochmodernste Weltraum-Infrarotteleskop der Europäischen Weltraumagentur ESA [11], Herschel [12], mit seinem im Durchmesser 3,5 Meter großen Hauptspiegel (derzeit der größte Spiegel aller im All treibenden Teleskope) noch weitere drei Jahre nach Infrarotstrahlen fahndet, vornehmlich in einem Wellenlängenspektrum von 157 bis 670 μm, soll SOFIA mindestens 20 Jahre lang dem bislang vernachlässigten mittleren Infrarotbereich sezieren, der bislang weder vom Erdboden noch von einem Satelliten aus systematisch durchforstet werden konnte, da sowohl bodengestützte als auch orbitale Teleskope ihn (größtenteils) nicht erfassen können.

Ohnehin kann SOFIA mit Qualitäten auftrumpfen, mit dem selbst das Beste in der Schwerelosigkeit treibende Fernrohr nicht konkurrieren kann. Denn wenn die fliegende Sternwarte in der Stratosphäre Position bezieht und dabei etwa 99 Prozent des störenden Wasserdampfs unter sich gelassen hat, schließt sie nicht nur eine wichtige Lücke im Infrarotfenster, sondern spielt zugleich ihre Stärken gegenüber einem vermeintlichen High-Tech-Satelliten vollends aus. Schließlich hadern Weltraumteleskope seit Beginn der Raumfahrt mit dem Schicksal, dass ihre Hard- und Software, insbesondere der Hauptspiegel, die Detektoren, Sensoren und Spektrometer schon viele Jahre vor dem Starttermin, manchmal bis zu 10 Jahre, eingefroren wird. So gesehen hievt das Trägersystem bei jedem Start technisches Instrumentarium in den Orbit, das beim Abheben der Rakete bereits obsolet ist.

Und angesichts der harten „Umweltbedingungen“ im Orbit und an den Lagrangepunkten [13] beschleunigt sich der Alterungsprozess der veralteten Hardware um ein Weiteres.

Während Weltraumteleskope infolge des großen zeitlichen und finanziellen Aufwandes in der Regel nicht nachgerüstet werden (das NASA-ESA-Fernrohr Hubble [14] bildete hier die absolute Ausnahme), können die SOFIA-Wissenschaftler und Ingenieure nach jeder Landung bei Bedarf alle Teile und Instrumente optimieren – auch das Trägerflugzeug selbst. Ob kleinere oder größere Reparaturen anstehen, ob der komplette Austausch eines Spektrometers vorgesehen ist oder sogar ein noch sensiblerer Hauptspiegel eingesetzt werden soll – SOFIAs Hardware kann stets dem neuesten Stand der Hard- und Software entsprechend angepasst werden.

Mehr noch: Im Gegensatz zu einem Satelliten ist SOFIA äußerst flexibel und variabel. So können die SOFIA-Forscher etwa, die eine Langzeitbeobachtung einer ausgewählten Infrarotquelle in Erwägung ziehen, die Flugbahn des Jumbo-Jets gezielt und beliebig ändern.

Da der modifizierte Jumbo Jet keine spezielle Start- oder Landebahn benötigt und somit jeden größeren Flughafen weltweit ansteuern kann, können die Wissenschaftler praktisch jeden Punkt dieser Welt anfliegen und somit auch kurzfristig rein lokal auftretende astrophysikalische Ereignisse wie Sonnen- und Mondfinsternisse studieren – auch auf der Südhalbkugel [15].

Loch im Flugzeugrumpf

Erreicht die ehemalige US-Linienmaschine ihre Dienstgipfelhöhe (12 bis 14 Kilometer), rollt am linken hinteren Rumpf des Jets eine jalousieähnliche Schiebetür nach oben, wodurch ein zehn Quadratmeter großes Loch entsteht. Was in der Luftfahrt schlichtweg als das klassische Schreckensszenarium gilt, ist von den SOFIA-Forschern jedoch ganz und gar beabsichtigt, ebnet doch just dieses Loch dem Hauptspiegel einen freien Blick in den Himmel.

Während die Forscher und die Bedienungsinstrumente durch ein Sicherungsschott vor dem niedrigen Luftdruck und der Kälte in der Teleskop-Kabine getrennt sind, starrt das „Fernrohr“ so lange durch das künstliche Loch, bis die Observation beendet ist. Bereits vor dem Landeanflug schließt die Rolltür wieder und schützt auf diese Weise das "Fernrohr" vor Feuchtigkeit und Schmutz.

Fraglos ist das Herzstück der SOFIA-Mission der aus Glaskeramik gefertigte 800 Kilogramm schwere Hauptspiegel von 2,7 Meter Durchmesser, der sekundiert wird von einem kleineren zweiten Spiegel (34 Zentimeter) und einen Tertiärspiegel [16]. Selbst die in der irdischen Stratosphäre vorherrschenden extremen Wetter- und Temperaturschwankungen können dem Equipment nichts anhaben – weder der hohe Luftdruck noch die Kälte (bis zu minus 60 Grad Celsius). Vor allem die turbulenten Luftströmungen, die in zwölf Kilometer Flughöhe die Teleskopanlage normalerweise ohne Rücksicht auf elektronische Verluste durchschütteln würden, kommen nicht zum Tragen, weil die SOFIA-Forscher das Teleskop mit Luftpolstern umgeben haben.

Außerdem installierten die Ingenieure einen speziell vollautomatischen Motor, der den Spiegel im Flugzeug präzise nachjustiert, damit das anvisierte Objekt trotz solcher Vibrationen im Fokus bleibt.

GREAT

Nachdem unlängst (am 21. und 22. Januar 2011) der "German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies" (GREAT [17]) im Flugzeug-Observatorium installiert wurde, sind nur noch eine Reihe von Tests zu absolvieren, bevor SOFIA im April dieses Jahres in offizieller wissenschaftlicher Mission starten kann.

GREAT ist einer von zwei wichtigen Empfängern für spektroskopische Infrarot-Beobachtungen, an dessen Einwicklung, Umsetzung und Bau das Max-Planck-Institut für Radioastronomie Bonn, die Universität zu Köln, das Max-Planck-Institut für Aeronomie in Katlenburg-Lindau und das DLR-PF Berlin [18] maßgeblich beteiligt waren.

Während sich GREAT auf den Frequenzbereich von 60 bis 220 µm Wellenlänge (1,2 bis 5 Terahertz) konzentriert, widmet sich das ebenfalls von deutschen Wissenschaftlern entwickelte zweite SOFIA-Instrument FIFI-LS [19] (Far-Infrared Field-Imaging Line Spectrometer) fernen Infrarotbereich.

Seine Stärken kann GREAT vor allem bei der Analyse von physikalischen sowie chemischen Prozessen ausspielen, die in der Umgebung von jungen Sternen, in der Milchstraße und in nahen Galaxien vorkommen. Aber auch bei der Erforschung unseres Planetensystems, zum Beispiel bei der Atmosphärenanalyse unseres Schwesterplaneten Venus oder der des Saturnmondes Titan wird GREAT gefordert sein.

Bild 1 von 9

Fliegende Sternwarte SOFIA beflügelt Infrarot-Astronomie (9 Bilder) [21]

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[1] http://www.ifa.hawaii.edu/mko/
[2] http://www.eso.org/public/
[3] http://www.eso.org/public/austria/news/eso1004/
[4] http://quest.arc.nasa.gov/lfs/about-kao%5E.html
[5] http://irsa.ipac.caltech.edu/IRASdocs/iras.html
[6] http://iso.esac.esa.int/
[7] http://www.dlr.de
[8] http://www.nasa.gov/mission_pages/SOFIA/index.html
[9] http://www.nasa.gov/mission_pages/SOFIA/status_update_10_55.html
[10] http://www.nasa.gov/centers/dryden/daof/index.html
[11] http://www.esa.int
[12] http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=16
[13] http://www.astronomie-heute.de/artikel/913160&_z=798889
[14] https://www.heise.de/tp/features/Hubble-gehoert-noch-laengst-nicht-zum-alten-Eisen-3437759.html
[15] http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/S%FCdhalbkugel.html
[16] http://www.sofia-stuttgart.de/bildungsprogramm/schule/schuelerakademie_thema16.html?get_version=print
[17] http://adsabs.harvard.edu/abs/2003SPIE.4857...56G
[18] http://www.dlr.de/pf//desktopdefault.aspx/tabid-4933/admin-1/
[19] http://adsabs.harvard.edu/abs/1998SPIE.3354..973G
[20] http://www.nasa.gov/multimedia/videogallery/index.html?collection_id=15095&media_id=17545488
[21] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_3388576.html?back=3388574
[22] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_3388576.html?back=3388574

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