Wir entdecken ständig neue Himmelsobjekte

Gibt es in der Milchstraße weitere Planeten wie unsere Erde, auf denen Leben existieren könnte? Verhalten sich die Himmelskörper tatsächlich genau so, wie es Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hat? Fragen wie diese erforschen Astronomen seit 2017 mithilfe des Instruments GRAVITY am Very Large Telescope – kurz VLT – der Europäischen Südsternwarte ESO. Wie das Instrument funktioniert, welche Erkenntnisse es bereits ermöglichte und was sich Forscher vom weiteren Ausbau des Instruments erhoffen, berichtet Christian Straubmeier von der Universität Köln im Interview mit Welt der Physik.

Die Abbildung zeigt eine Gruppe aus vierzehn Forschern.
Christian Straubmeier und sein Team

Welt der Physik: Was beobachten Astronomen mit dem Very Large Telescope?

Christian Straubmeier: Himmelskörper wie etwa Sterne geben eine große Bandbreite an Strahlung ab, die Astronomen mit unterschiedlichen Teleskopen einfangen – von der langwelligen Radiostrahlung bis hin zur kurzwelligen Röntgen- und Gammastrahlung. Die vier Teleskope des VLT sind auf den optischen und nahen Infrarotbereich spezialisiert – also auf sichtbares Licht sowie auf Infrarotstrahlung, die wir im fernen Infrarotbereich als Wärmestrahlung wahrnehmen. Diese Strahlung trifft von den Himmelskörpern ausgehend auf unsere Erde und wird mithilfe der Teleskopspiegel gesammelt. Digitale Kameras erzeugen dann Bilder der beobachteten Himmelsobjekte. Je größer die Spiegel sind, desto mehr Strahlung können sie einfangen und desto höher aufgelöst ist letztendlich das Bild. Für die meisten Objekte reicht ein Einzelteleskop des VLT mit einem Spiegeldurchmesser von acht Metern aus. Doch Objekte, die sehr nahe beieinanderliegen, lassen sich so nicht voneinander trennen.

Also sind größere Spiegel nötig, um auch diese sehr nahe beieinanderliegenden Objekte zu untersuchen und voneinander zu trennen?

Das ist eine Möglichkeit: Das weltweit größte optische Teleskop – das Extremely Large Telescope – befindet sich derzeit im Aufbau und wird einen Spiegeldurchmesser von knapp vierzig Metern erreichen. Doch da die Spiegel optischer Teleskope aus schwerem Glas bestehen, können sie nicht beliebig vergrößert werden. Es gibt aber noch eine andere Möglichkeit, die Auflösung von Teleskopen zu erhöhen: Indem man die vier Einzelteleskope des VLT verbindet, entsteht ein einziges, sehr effektives Teleskop – das Very Large Telescope Interferometer VLTI. In diesem gemeinsamen Betriebsmodus erreicht man eine etwa zehnmal höhere Auflösung als nur mit einem Einzelteleskop.

Die Abbildung zeigt vier große Teleskope, die gemeinsam auf einem Hügel in einer Wüstenlandschaft stehen. Die Teleskope sind über ein unterirdisches Tunnelsystem miteinander verbunden.
Das Very Large Telescope Interferometer

Wie ist das möglich?

Beim VLTI beobachten alle vier Teleskope die gleiche Position am Himmel. Das Licht wird über die Spiegel der Einzelteleskope eingefangen und läuft unterirdisch zu einem hundert Meter entfernten gemeinsamen Ort. Dort befindet sich GRAVITY – das neue Kamerasystem des VLTI. GRAVITY überlagert alle vier ankommenden Lichtstrahlen, sodass ein einziges Bild des beobachteten Objekts entsteht. Damit dieses Bild scharf ist, mussten wir allerdings eine riesige technische Herausforderung meistern: Denn der Weg des Lichts – von allen Teleskopen bis zum Kamerasystem – muss bis auf wenige Nanometer exakt gleich lang sein.

Wie haben Sie dieses Problem gelöst?

In den unterirdischen Tunneln, durch die das eingefangene Licht läuft, befindet sich ein kompliziertes Spiegelsystem. GRAVITY kann die Position dieser Spiegel präzise verändern und damit den Weg der Lichtstrahlen verlängern oder verkürzen. So stellt das Instrument sicher, dass alle vier Lichtstrahlen stets die gleiche Strecke zurücklegen und zum gleichen Zeitpunkt am Kamerasystem ankommen. Die von GRAVITY erstellten Aufnahmen erreichen so eine Auflösung, die der eines hypothetischen Teleskops mit einem Spiegeldurchmesser von etwa hundert Metern entspricht. Seit 2017 läuft GRAVITY im Regelbetrieb – und es gab bereits einige bahnbrechende Erkenntnisse.

Um einen zentralen Punkt winden sich ineinander verschobene Ellipsen, sodass eine Rosettenform entsteht.
Rosettenbahn des Sterns S2

Was war Ihrer Meinung nach die wichtigste Beobachtung mit GRAVITY?

Ein Hauptziel der Beobachtungen mit GRAVITY ist das Zentrum unserer Galaxie. Dort befindet sich ein Schwarzes Loch namens Sagittarius A*, das etwa so schwer ist wie vier Millionen Sonnen. Dieses supermassereiche Schwarze Loch erzeugt ein gewaltiges Gravitationsfeld, in dem – wie wir bereits von Beobachtungen der Einzelteleskope wussten – mehrere Sterne in sehr engen Umlaufbahnen um das Schwarze Loch kreisen. Der genaue Verlauf dieser Umlaufbahnen lässt sich zwar mit Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie berechnen, doch die Auflösung der bisherigen Aufnahmen reichte nicht aus, um diese Vorhersagen experimentell zu überprüfen. Somit wussten wir bislang nicht, ob die Allgemeine Relativitätstheorie auch diese Bereiche mit extrem starker Gravitation korrekt beschreibt. In den letzten Jahren haben wir eine der Sternentrajektorien mit GRAVITY präzise verfolgt und endlich Gewissheit erlangt: Der Stern bewegt sich wie vorhergesagt auf einer Rosettenbahn ums Schwarze Loch.

Beobachten Sie mithilfe von GRAVITY auch Objekte außerhalb des galaktischen Zentrums?

Ja, wir untersuchen mit GRAVITY beispielsweise auch Exoplaneten. Denn neben unserem Sonnensystem vermuten wir unzählige weitere Planetensysteme in unserer Galaxie. Zwar lassen sich Planeten, die um ferne Sterne kreisen, auch mit anderen Methoden entdecken. Um sie allerdings genau zu untersuchen, braucht man hochaufgelöste Aufnahmen. Damit der Exoplanet nicht im Licht seines Zentralgestirns untergeht, müssen wir so ein System gemeinsam mit allen vier Teleskopen des VLT beobachten. Da GRAVITY außerdem zwischen den unterschiedlichen Wellenlängen des empfangenen Lichts unterscheidet, können wir zum Beispiel untersuchen, welche Gase sich in den Atmosphären der Exoplaneten befinden.

Was erwarten Sie, in Zukunft mit GRAVITY zu entdecken?

Durch die hohe Auflösung von GRAVITY entdecken wir quasi ständig neue Objekte am Himmel. Als wir beispielsweise bereits bekannte Planetensysteme untersuchten, haben wir dort zahlreiche weitere Planeten entdeckt, von denen wir vorher noch nichts wussten. Doch es gibt auch etliche Objekte, die sich unseren Beobachtungen entziehen. Denn Exoplaneten, die sich – ähnlich wie unsere Erde – nah an ihrem Stern befinden und bereits erkaltet sind, scheinen oft nicht hell genug, um sie mit der aktuell vorhandenen Technik zu beobachten. Und es gibt noch weitere Faktoren, die Experimente mit GRAVITY erschweren: Beispielsweise stören Turbulenzen in unserer Atmosphäre die Aufnahmen der Teleskope oder die Luft im unterirdischen Spiegelsystem bewegt sich.

Die Abbildung zeigt das komplexe Kamerasystem GRAVITY. Es besteht aus zahlreichen Instrumenten, die über Kabel miteinander verbunden sind.
GRAVITY

Wie gehen Forscher mit diesen Schwierigkeiten um?

In unserem neuen Projekt GRAVITY+ wollen wir die Technik von GRAVITY und des VLTI so aufrüsten, dass das Instrument diese Störungen noch besser korrigieren kann. Beispielsweise werden wir an den Einzelteleskopen Laser installieren, die künstliche Sterne an den Himmel projizieren. Wir wissen dann genau, wie diese künstlichen Sterne in unserem Teleskopbild aussehen sollten, und können so ständig kontrollieren, ob die Teleskope noch optimal eingestellt sind und sie gegebenenfalls nachjustieren. Damit lassen sich die Auflösung und auch die Anzahl der beobachtbaren Objekte in den kommenden Jahren drastisch steigern – wir erhalten also Zugriff auf einen viel größeren Bereich des Nachthimmels. Mit GRAVITY+ können wir dann beispielsweise die Atmosphäre von kalten Gesteinsplaneten – wie unserer Erde – analysieren und mit der Erdatmosphäre vergleichen. Vielleicht finden wir so heraus, wie einzigartig unser Sonnensystem wirklich ist.


Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt „Der GRAVITY+ off-axis Beobachtungsmodus – Die Umwandlung des derzeitigen Prototyps in einen Standard Beobachtungsmodus für die gesamte astronomische Gemeinschaft“ im Zeitraum von Juli 2020 bis Juni 2023 mit rund 600 000 Euro.

Fördersumme: 603 065 Euro

Förderzeitraum: 01.07.2020 bis 30.06.2023

Förderkennzeichen: 05A20PKA

Beteiligte Institutionen: Universität Köln