Das Universum serviert auf einem "Teller"

14. Juli 2021

Sie sehen vielleicht nicht nach viel aus - nur Metallscheiben von 80 Zentimetern Durchmesser mit einigen geätzten Markierungen und Hunderten von kleinen Löchern - aber runde Aluminium-"Platten" wie diese vom Sloan Digital Sky Survey (SDSS) sind seit mehr als 20 Jahren für die Kartierung unseres Universums unerlässlich.

"Das Licht, das durch diese Platten hindurchgeht, hat uns geholfen, nach Antworten auf eine enorme Bandbreite von Fragen zu suchen, die wir über unser Universum stellen wollen - von nahen Sternen und Planetensystemen bis hin zu fernen Galaxien und riesigen schwarzen Löchern", sagt Gail Zasowski, die wissenschaftliche Sprecherin des SDSS-V.

Links: David Schlegel, ein Hauptentwickler des SDSS- Spektroskopieprogramms und der leitende Forscher der SDSS-III BOSS Durchmusterung, hält eine neu gebohrte Platte hoch.  Rechts: Eine Platte von der SDSS-III BOSS Durchmusterung, vor einem herangezoomten Hintergrund von sich selbst, der die Löcher und die Anmerkungen zeigt, die verwendet wurden, um beim Einstecken der optischen Fasern zu helfen.

Die Platten ermöglichten es dem SDSS, eine der leistungsstärksten Techniken in der Astrophysik zu verwenden: das Licht eines Objekts in den Regenbogen seiner konstituierenden Farben aufzuspalten, um ein Diagramm zu erstellen, das "Spektrum" genannt wird und welches zeigt, wie viel Licht das Objekt bei verschiedenen Energien aussendet.  Die Untersuchung des Spektrums einer Galaxie kann uns Details verraten - z.B. wie weit sie entfernt ist, wie lange es her ist, dass sich ihre Sterne gebildet haben, und sogar wie diese Sterne das supermassereich schwarze Loch im Zentrum der Galaxie umkreisen. Das Spektrum des Gases, das in das Schwarze Loch fällt, kann uns helfen zu berechnen, wie groß das Schwarze Loch ist und wie schnell es wächst. Das Spektrum eines einzelnen Sterns kann uns seine Temperatur verraten, die chemischen Elemente, aus denen er besteht, und wie schnell er sich uns nähert oder von uns entfernt. Mehrere Spektren desselben Sterns im Laufe der Zeit können sogar verwendet werden, um das Vorhandensein von ihn umkreisenden Exoplaneten oder schwachen Begleitern zu erkennen.

Astronomen haben seit Jahrhunderten die Spektren von Objekten am Himmel untersucht. Aber mit der Zeit trat ein Problem auf. Traditionell verließen sich die Astronomen auf winzige Schlitze in Metallplatten, um das Licht von einzelnen - oder höchstens ein paar - Sternen oder Galaxien in einen Spektrographen (einem Gerät, das ein Spektrum misst) zu leiten. Das war oft ein mühsamer Prozess. Als die Himmelsdurchmusterungen immer größer wurden und Spektren für immer mehr Sterne und Galaxien gesammelt werden mussten, wurde es unpraktisch, darauf zu warten, bis die Spektrographen alle Daten mit dieser traditionellen Methoden gesammelt hatten. Ein neuer Ansatz wurde benötigt.

Die Lösung kam Ende der 1990er Jahre, als Astronomen und Ingenieure des SDSS begannen, hunderte von Löchern in große Aluminiumplatten zu bohren. Dabei wurde jedes Loch so positioniert, dass es jeweils zu einem bestimmten Stern oder einer Galaxie an einer Stelle des Himmels ausgerichtet war. Als die Platte an der Rückseite des Teleskops angebracht wurde, führte eine optische Faser, die sorgfältig von Hand in jedes Loch gesteckt wurde, das Licht des Sterns oder der Galaxie in einen Spektrographen. Mit diesem neuen System konnten mehrere hundert Spektren gleichzeitig gesammelt werden, was die Geschwindigkeit, mit der Objekte am Himmel gemessen werden konnten, dramatisch erhöhte.

Tatsächlich erklärt der SDSS-IV Direktor Mike Blanton, dass "der allererste Stapel von Daten, den wir Anfang 2000 verwendet haben, fast so groß war wie alle vorherigen Rotverschiebungsdurchmusterungen, die jemals gemacht wurden. Und das war nur von den ersten ein oder zwei Monaten der Beobachtungen!"

Die letzte Platte des SDSS-Plattenprogramms sitzt an der Basis des Sloan-Teleskops am Apache Point Observatorium in New Mexico, USA. Die farbigen Fasern, die unter der Platte sichtbar sind, wurden in ihre Löcher gesteckt und werden das Licht zu den Instrumenten transportieren.

Seit diesen frühen Messungen wurden mehr als zwölftausend Platten gebohrt, von Hand montiert und damit Beobachtungen durchgeführt. Das ist eine Menge Metall - wenn man alle diese Platten aufeinander stapeln würde, entspräche ihr kombiniertes Gewicht dem von zwölf afrikanischen Elefantenbullen - oder, für Astronomen - einem Würfel aus dem Material eines Weißen Zwergsterns von knapp 4 Zentimetern Kantenlänge. All diese Platten würden genug Metall enthalten, um 4,3 Millionen Limonadendosen herzustellen. Alle diese Platten wurden von Ingenieuren in der Maschinenwerkstatt der Universität von Washington gebohrt, und jedes Loch in jeder Platte wurde von Mitarbeitern von Hand an einem der SDSS-Teleskope in New Mexico und Chile angeschlossen.

Das Aussehen der Platten hat sich im Laufe der Zeit entwickelt, als für den SDSS neue Durchmusterungen starteten, neue Spektrographen gebaut wurden und man sogar begann, andere Teleskope zu benutzen. Viele der Platten aus den letzten Jahren haben jeweils mehr als tausend Löcher oder haben Löcher für Fasern, die das Licht an mehrere Spektrographen zur gleichen Zeit leiten. Dabei sind auch Löcher, die Bündel von Dutzenden von optischen Fasern zusammengepackt aufnehmen können. Alles in allem wurden mehr als 5,3 Millionen einzelne Löcher gebohrt, jedes mit einer Toleranz von 10 Mikrometern. Müsste man alle diese Löcher einzeln zählen, bräuchte man dafür mehr als 60 Tage ohne Pause.

Was haben wir von den Photonen gelernt, die durch all diese Löcher hindurchgegangen sind? Sie gehören zu den Spektren von über vier Millionen Sternen, Galaxien und Quasaren. Diese Spektren wurden verwendet, um zu messen, wie alt das Universum ist, wie viel dunkle Materie darin ist, wie sich seine Expansion beschleunigt und wie sich seine Milliarden von Galaxien mit der Zeit gebildet und entwickelt haben. Als man die SDSS-Beobachtungen über die Jahre fortsetzte, konzentrierte man sich immer mehr auf die detaillierte Geschichte unseres eigenen Milchstraßensystems und der nahegelegenen Galaxien - und darauf, wie Sterne geboren werden, sich entwickeln, sterben, und die Elemente erschaffen, aus denen wir selbst gemacht sind.

Eine der besten Aspekte all dieser Informationen ist, dass sie jederzeit für jeden und überall verfügbar sind. "Jedes einzelne Spektrum, das beim SDSS beobachtet wird, wird online verfügbar gemacht. Nicht nur für Astronomen, sondern für die ganze Welt, um es studieren zu können", sagt Anne-Marie Weijmans, die die Bemühungen zur Dokumentation und Freigabe dieser gewaltigen Datenmengen beaufsichtigt. In die enorme Anzahl an Entdeckungen, die mit den SDSS-Daten gemacht wurden, waren Forscher auf der ganzen Welt involviert. Denn diese haben oft Fragen untersucht oder die Daten auf eine Art und Weise genutzt, an die noch niemand gedacht hatte, als die Durchmusterung entworfen wurde.

Foto einer Kunstausstellung von SDSS Artist-in-Residence Tim Fitzpatrick in St Andrews, Schottland, am 7. November 2015. Freiwillige und Besucher untersuchen eine hinterleuchtete SDSS-Platte auf der linken Seite und Kunst, die von astronomischen Spektren inspiriert ist, auf der rechten Seite.

Zusätzlich zu den enormen wissenschaftlichen Erkenntnissen und den Online-Datensammlungen, die durch dieses System ermöglicht werden, haben die SDSS-Platten unzähligen Schulkindern und der Öffentlichkeit die Möglichkeit gegeben, mit echter astronomischer Hardware und echten Daten zu arbeiten. "Bis heute hat das Programm „SDSS-Platten für die Öffentlichkeit“ mehrere hundert Platten an Schulen, Museen und andere Bildungseinrichtungen auf der ganzen Welt verteilt – Platten die alle zur Beobachtung des Himmels verwendet wurden.", erklärt Romina Ahumada, die diese SDSS- Bildungsinitiative in Chile leitet. Das Programm hat Materialien entwickelt, um jedem zu helfen, etwas über die Himmelsobjekte zu lernen, die mit genau dieser Platte in ihren Händen beobachtet wurden, und um Lehrern zu helfen, die Platten in ihre Lehrpläne einzubauen, um zahlreiche astrophysikalische Konzepte zu unterrichten. Auch Künstler auf der ganzen Welt haben zahlreiche Aspekte der Platten als Fenster zum Universum erforscht - einschließlich Jian Yang in Peking, Josiah McElheny in New York City, und der SDSS-eigene Artist-in-Residence Tim Fitzpatrick.

Jetzt, nach über zwei Jahrzehnten, in denen diese Platten zur Unterstützung der Datenerfassung (im wörtlichen und übertragenen Sinne) eingesetzt wurden, beginnt für den Sloan Digital Sky Survey eine neue Ära - eine Ära, in der winzige Roboter jede optische Faser so positionieren werden, dass sie der Position eines Sterns, einer Galaxie, eines supermassereichen schwarzen Lochs oder eines anderen Ziels entspricht. Dies ist der perfekte Zeitpunkt, um auf den monumentalen wissenschaftlichen Beitrag der Platten zurückzublicken, während das Team die nächsten großen Entwicklungen plant, die durch das neue, noch schnellere System ermöglicht werden.

Wie Juna Kollmeier, die Direktorin der brandneuen fünften Phase des SDSS Projekts (SDSS-V), sagt: "Die Platten waren erstaunlich. In der Graduiertenschule habe ich mit den ersten gearbeitet, und es erfüllt einen mit Demut, an all das zu denken, was wir gelernt haben und was wir noch zu entdecken haben."

Obwohl die Beobachtungen mit den SDSS-Platten nun beendet sind, blickt die Durchmusterung in eine noch glänzendere Zukunft. Die SDSS-V-Beobachtungen haben bereits begonnen. Dabei wird ein ausgeklügeltes System verwendet, bei dem Roboter die optischen Fasern immer wieder neu anordnen und umordnen, so dass weit mehr Objekte in weitaus kürzerer Zeit beobachtet werden können, als bisher. Kollmeier fährt fort: "Mit SDSS-V und seinen Robotern werden wir nun in der Lage sein, den gesamten Himmel vollständig und wiederholt mit Spektren zu untersuchen und diese Daten der Welt zur Verfügung zu stellen. Wie verändert sich das Universum über Tage, Wochen oder sogar Jahre? Wir haben wichtige Schnappschüsse des Universums gemacht - jetzt ist es an der Zeit, einen Film zu drehen."

Text: Diese deutsche Version basiert auf der englischen Originalversion des SDSS-Konsortiums

Original Pressemitteilung in Englisch mit weiteren Bildern und Videomaterial auf der SDSS-Homepage

Beteiligung des MPIA

Würde man die SDSS-Platten aneinander legen, würden sie vom Marktplatz in Heidelberg bis zur Mitte von Schwetzingen reichen.

Seit den frühen 2000er Jahren der Sloan Digital Sky Survey viele Bereiche der Astronomie nachhaltig beeinflusst. Basierend auf tiefen Direktaufnahmen, die etwa ein Drittel des gesamten Himmels abdecken, und auf Basis der Spektroskopie von mehreren Millionen Objekten konnten unter anderem dreidimensionale Karten von großen Regionen des Universums erstellt werden.

"SDSS hat nicht nur unser Verständnis der Galaxienentwicklung revolutioniert, sondern auch tiefe Einblicke in die Struktur und Geschichte unserer eigenen Milchstraßengalaxie ermöglicht", sagt Hans-Walter Rix, Direktor am MPIA und SDSS-V Projektwissenschaftler. "Im weltweiten Konsortium der SDSS-Partnerinstitute, das über die letzten Jahrzehnte gewachsen ist, ist das MPIA immer noch stolz darauf, der erste europäische Partner gewesen zu sein."

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