Das Universum im Fokus

Bilder vom Weltall sehen nicht nur gut aus, sie enthalten auch eine Menge Informationen. Was steckt drin und was unterscheidet vier prominente Teleskope? Ein Überblick.

Auf den Punkt gebracht

• Ein Teleskop, ein Zweck: Das Hubble- und James-Webb Weltraumteleskop konzentrieren sich auf detaillierte Beobachtungen einzelner Objekte, während das Euclid Weltraumteleskop und das Vera C. Rubin Observatorium in Chile große Himmelsteile in möglichst kurzer Zeit erfassen. Letztere gelten daher als Durchmusterungsteleskope.
• Hochkomplexe Observatorien: Moderne Teleskope sind hochkomplex und profitieren von empfindlichen Kamerasystemen im Zusammenspiel mit ausgefeilten Optiken und Teleskopen. Die Max-Planck-Gesellschaft ist und war an der Entwicklung vieler Observatorien beteiligt, die teils Jahrzehnte dauert. 
• Das Universum in drei Dimensionen: Ein zweidimensionales Kamerabild eines Teleskops enthält oft verschiedene astronomische Objekte, wie etwa Galaxien, die sich in unterschiedlichen Entfernungen zur Erde befinden. So lassen sich Computermodelle des dreidimensionalen Universums mit echten Beobachtungsdaten vergleichen.
• Das explosive Universum: Beim Vera C. Rubin Durchmusterungsteleskop zählt Schnelligkeit. Indem es den gesamten Südhimmel und damit alle enthalatenen Objekte sehr oft hintereinander fotografiert, erfassen es auch explosive und schnelllebige Ereignisse im Universum

Das Hubble-Weltraumteleskop hat sich seit 1990 mit prächtigen Schnappschüssen ferner Galaxien oder farbenfrohen Gasnebeln in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, einen Namen gemacht. Mehr als 30 Jahre später gingen zwei neue Weltraumobservatorien online: James-Webb und Euclid beliefern astronomische Datenzentren seit 2021 und 2023 mit Aufnahmen, die Hubble in vielerlei Hinsicht überbieten. Das James-Webb Weltraumteleskop ist ein Spezialist für scharfe, detaillierte Bilder einzelner Objekte, während Euclid darauf getrimmt ist, möglichst viele Galaxien und Objekte am Himmel abzulichten – bei gleichzeitig hoher Bildqualität, die auch die Form einer Vielzahl ferner Galaxien zeigt. Die Mission Euclids wird seit 2025 auch vom Boden aus unterstützt. Das Vera C. Rubin Observatorium, ein brandneues Teleskop auf den Dächern Chiles, will im Rahmen des Legacy Survey of Space and Time (LSST) möglichst alle Galaxien einfangen, die vom Südhimmel aus mit seinem 8-Meter Spiegel zu sehen sind. Die Max-Planck-Gesellschaft hat Bauteile und Kameras zu James-Webb und Euclid beigesteuert, unterstützt bei der Softwareentwicklung für das Vera C. Rubin Observatorium und hat schon sehr früh Rechte eingeworben, die Daten dieses Observatoriums zu analysieren.

In nur wenigen Jahren in Folge rieselte es „First-Lights“, also der Moment, wenn zum ersten Mal Licht durch neue Teleskope auf neue Kameras fällt. Und jedes neue Teleskop hat bisher auch Neues gesehen. Es ist also Zeit für einen Überblick: Was unterscheidet die Weltraumteleskope Hubble, James Webb und Euclid, sowie das bodengebundene Vera Rubin Observatorium? Was sind die Spezialgebiete dieser Teleskope? Warum sind ihre Bilder nicht nur gut anzusehen, sondern vor allem hoch relevant für die Forschung? Dieser Artikel beantwortet die wichtigsten Fragen rund um vier moderne Teleskope, die das Universum im für uns Menschen sichtbaren oder im Infrarotlicht beobachten. Viele der grundlegenden Eigenschaften dieser Teleskope lassen sich auch auf andere Observatorien übertragen, die das Universum in einem anderen Licht beobachten, etwa im Röntgen- oder Radiolicht. Auch an solchen Teleskopen ist die Max-Planck-Gesellschaft stark beteiligt, darunter das Weltraumteleskop eRosita sowie diverse Radioteleskope, allen voran das 100-Meter Teleskop in Effelsberg, Deutschland, das 30-Meter Radioteleskop in der spanischen Sierra Nevada und Noema, ein Zusammenschluss mehrerer 15-Meter Antennen in den französischen Alpen. Letztere Antennen werden betrieben vom Institut de Radioastronomie Millimétrique, Iram.

Teleskope am Boden, Teleskope im Weltraum

Wo wir bei der Frage wären: Warum stehen die einen Teleskope Boden, warum befinden sich andere im Weltall? Ein Teleskop am Boden sieht Sterne und Galaxien durch die Erdatmosphäre hindurch und das beeinträchtigt die Bildqualität – wenn das Teleskop überhaupt etwas sieht, denn die Atmosphäre lässt infrarotes Licht nur bei manchen Wellenlängen und ultraviolettes oder Röntgenlicht gar nicht passieren. Und natürlich sollte es im Falle optischer Teleskope wolkenfrei sein. Das ist in den Bergen Chiles teils an über 300 Tagen im Jahr der Fall.

Die Atmosphäre verteilt sich in einer relativ dünnen Schicht von mehreren zehn bis hundert Kilometern Höhe über der Erdoberfläche. Dass der Blick durch die Luft über uns das Bild der Sterne beeinträchtigt, kennen alle, denen bei einer warmen Sommernacht das Funkeln der Sterne aufgefallen ist. Das kommt durch Turbulenzen der Luft, wenn diese aufgewärmt ist oder schnell aufsteigt oder absinkt. Beim Vera Rubin Observatorium ist dieser Effekt zumindest reduziert, denn Winde tragen die Luft – anders als in den Alpen – ohne große Turbulenzen über die flach zulaufenden Berge Chiles. Andere Teleskope, wie das  Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte, das sich ebenfalls in Chile befindet, messen die Turbulenzen der Atmosphäre und passen die Form ihrer Spiegel in Echtzeit so an, dass das Bild auf der Kamera möglichst klar erscheint – als hätte es keine Atmosphäre gegeben. Diese Adaptive Optik lässt die Bilder fast so scharf erscheinen, als hätte sie ein Weltraumteleskop aufgenommen. Das Vera C. Rubin Teleskop verfügt nicht über eine Adaptive Optik, dafür aber eine Aktive Optik. Diese gleicht leichte Verformungen aus, die entstehen, wenn das Teleskop etwa in Seitenlage kippt.

Der Standort am Boden hat aber trotz der Limitationen viele Vorteile. Es lassen sich relativ einfach große Spiegel und Kameras bauen und zum Zielstandort hin transportieren. Würde man das Vera C. Rubin Observatorium in eine Umlaufbahn um die Erde schießen wollen, bräuchte es eine Rakete von unrealistischer Größe und Schubkraft – abgesehen von vielen weiteren Problemen.

Das Hubble Weltraumteleskop konnte mit einem 2,4 Meter großen Spiegel nur deswegen gestartet werden, da der Frachtraum des Space Shuttles genug Platz bot. Das Shuttle der Nasa ist aber nicht mehr im Betrieb und so musste das James-Webb Teleskop in die Spitze einer Rakete passen und sich dessen 6,5-Meter Spiegel im All wie ein Transformer entfalten. Hätte dabei nur ein Mechanismus versagt, wäre das Teleskopprojekt gescheitert. Entsprechend lange und aufwendig war die Planungsphase. Die Vorzüge eines so großen Spiegels im All hatten also einen hohen Preis. Aber ganz egal ob bodengebunden oder im Orbit: Jedes Teleskop hat seine Stärken.

Welche Stärken das sein sollen, definiert meist Jahrzehnte im Voraus ein Anforderungskatalog der Wissenschaft an die Industrie und nicht selten an die hauseigenen Werkstätten. „Ein Teleskop ist nichts, was man fertig einkaufen könnte“, sagt Eckhard Sturm, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. Er managt die Entwicklung einer haushohen Kamera für das Extremely Large Telescope, das bald größte Teleskop der Welt. „Wir müssen Technik entwickeln, die es noch nicht gibt“. Außerdem sei die Komplexität moderner bodengebundener Teleskope und ihrer Messinstrumente heutzutage vergleichbar mit der eines Weltraumteleskops, so Eckhard Sturm weiter.

Ein tiefer Blick ins All

Es gibt zwei Kerneigenschaften, die ein jedes Teleskop definieren: Der Durchmesser des Spiegels, mit dem es Licht aus dem All in die Optik leitet und die Größe eines Flecks am Himmel, den die Optik auf die Kamera abbildet. Und je größer der Spiegel und je länger die Belichtungszeit der Kamera, desto schwächer das Licht, das die Kamera noch sieht. Den Effekt kennen viele, die gerne fotografieren. Die Polarlichter, die 2024 und 2025 bis Europa reichten, waren mit bloßem Auge kaum wahrnehmbar, erstrahlten auf Fotos aber in satten Rot- und Violetttönen. Genauso gelingt ein Foto der Milchstraße auch in Stadtnähe, wenn die Kamera nur lang genug belichtet.

Hinzu kommt, dass ein jeder Stern im Band der Milchstraße sein Licht in alle Richtungen abstrahlt. Dabei schwächt sich die Intensität seines Lichts mit dem Abstand zum Quadrat ab. Das heißt: Je größer der Teleskopspiegel und je empfindlicher die Kamera, desto weiter ist ein Stern weg, den ein Teleskop noch abbilden kann. Wollen Forschende ferne Galaxien jenseits unserer Milchstraße beobachten, die mehr als hunderte Millionen Lichtjahre entfernt sind, kommt ihnen zu Gute, dass jede Galaxie so hell leuchtet, wie alle hunderte Milliarden Sterne in ihr zusammen. Ist eine Galaxie aber besonders weit weg, braucht es Observatorien wie Hubble oder James Webb oder auch bodengebundene Teleskope, die darauf spezialisiert sind, tief zu blicken – etwa das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile.

Hubble und James Webb sind Weltraumobservatorien. Während Teleskope wie Euclid oder Vera C. Rubin einen Überblick schaffen, schauen Hubble und James Webb genauer hin. Sie wurden gebaut, um kleine Ausschnitte am Himmel sehr genau zu untersuchen. Während ein Fernglas leicht die gesamte Vollmondscheibe abbildet, passt in das Gesichtsfeld von Hubble lediglich ein Mondkrater – dafür mit einer enormen Auflösung von etwa 80 Metern. Zusammengerechnet hat Hubble daher ganze elf Tage gebraucht, um einen sehr kleinen Himmelsquadranten wieder und wieder abzuscannen: das Hubble Ultra Deep Field. Es enthält Licht von sehr weit entfernten Galaxien, etwa 10.000 Stück an der Zahl. Die Kantenlänge dieses Bildes entspricht nur einem Zehntel des Vollmonddurchmessers. Hätte Hubble in dieser Genauigkeit den ganzen Himmel fotografiert, hätte es eine halbe Millionen Jahre gebraucht.

Im Überblick

Das Euclid Weltraumteleskop wurde nicht nur gebaut, um tief zu blicken. Es hat ein 240-mal größeres Gesichtsfeld als Hubble und soll in nur sechs Jahren ein Drittel des gesamten Himmels nach Galaxien, auch weit entfernten Galaxien, durchsuchen. „Euclid hat einfach das bessere Verhältnis aus Fläche am Himmel und Tiefe“ sagt Frank Grupp, er ist Projektleiter von Euclid in Deutschland. Wie kann das gehen? Immerhin beträgt dessen Spiegelfläche, also die Fähigkeit, Licht zu sammeln, nur ein Viertel derer von Hubble. „Ein bisschen kommt uns aber entgegen, dass die Kameras seit Hubble besser geworden sind“, so Grupp. Das Ziel von Euclid ist es, dunkle Materie genauer zu untersuchen, die zwar nicht sichtbar ist aber alleine durch ihre Schwerkraft beeinflusst, wie sich Galaxien versammeln und bewegen. Dazu soll Euclid möglichst viele Galaxien in möglichst alle Richtungen und in möglichst großer Entfernung zur Erde beobachten. Nach wenigen Jahren des Betriebs haben Forschende so bereits 26 Millionen Galaxien entdeckt.

Die Alternative: Ein größerer Spiegel. Der 8,5-Meter Spiegel des Vera C. Rubin Observatoriums sammelt pro Zeit mehr Licht und damit mehr Informationen als der kleinere Spiegel des Euclid Teleskops im All. Nur so können Astronominnen und Astronomen das Teleskop schnell zum nächsten Bildausschnitt schwenken, um dort fortzufahren. Das Ziel ist es, große Bereiche des Alls zu durchmustern. Eduardo Bañados vom Max-Planck-Institut für Astronomie nennt das „kosmisches Kino“. Astronominnen und Astronomen werden möglichst schnell hintereinander Fotos einer jeden Region am Südhimmel machen, um die explosiven und schnelllebigen Teile des Universum vor die Linse zu bekommen. Die gesammelten Daten machen dabei auch weit entfernte Galaxien sichtbar. „Das Vera Rubin Teleskop wird meine Forschung bereichern“, sagt Esra Bulbul, Astronomin am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. „Das Observatorium hat ein weites Gesichtsfeld und einen tiefen Blick, es wird Milliarden von Galaxien bei enormen Entfernungen fotografieren. Mit den Daten studiere ich die größten Strukturen des Universums und wie sie sich seither entwickelt haben.“

Eduardo Bañados will nicht nur Galaxien finden, die kurz nach dem Urknall entstanden und – da sich das Universum ausdehnt – heute extrem weit von der Erde entfernt sind; dank der hohen Bildrate des Teleskops sucht er nach „Flackern“ im Zentrum ferner Galaxien. Denn ein supermassereiches schwarzes Loch im Zentrum einer solchen Galaxie verspeist pro Jahr Gasmengen von der Masse unserer Sonne. Das Resultat sind enorm starke und schnelle Helligkeitsausbrüche, die innerhalb weniger Tage ablaufen.

Woher kommt die Tiefe im Bild?

Ein Bild der beiden Himmelsdurchmusterer Euclid oder Vera C. Rubin ist so flach wie der Kamerachip, die das Bild aufgenommen hat. Darauf zu sehen: Zehntausende Galaxien und einige Sterne. Der wissenschaftlicher Gehalt in diesem Bild reicht tief. Da wäre zum einen die Form der Galaxien, zum anderen ihre Entfernungen. Auf astronomischen Bildern gibt es aber keine Perspektiveneffekte wie auf der Erde. Alle Objekte scheinen im Unendlichen zu liegen. Trotzdem lassen sich ihre Entfernungen bestimmen und so stellt sich heraus, dass die einzelnen Sterne im Bild Teil unserer Milchstraße sind, während die Galaxien deutlich weiter entfernt liegen. In jedem Bild eines Durchmusterungsteleskops stecken also die Informationen eines dreidimensionalen Universums, die sich direkt mit Computermodellen von Kosmologinnen und Kosmologen vergleichen lassen, die beschreiben, wie sich das Universum seit dem Urknall entwickelt hat.

Wie astronomische Entfernungen genau bestimmt werden, ist ein eigenes Thema und es gibt verschiedene Methoden. Weiß man etwa, wie viel Licht ein spezieller Sterntyp standardmäßig abstrahlt, also, wie hoch seine Leuchtkraft ist, lässt sich die Entfernung bestimmen, indem man misst, wie viel Licht noch bei der Erde ankommt. Bei Galaxien in sehr großen Entfernungen machen sich Astronominnen und Astronomen zu Nutze, dass das Universum expandiert und sich alle Galaxien voneinander entfernen. Wären Galaxien Rosinen und der Raum zwischen den Rosinen Hefeteig, so entfernen sich die Rosinen jeweils voneinander, wenn der Teil aufgeht. Kosmologinnen und Kosmologen können ausrechnen, wie schnell sich zwei Punkte im von uns einsehbaren Universum voneinander entfernen müssten, wenn diese sich in einem bestimmten Abstand voneinander befinden. Dank der Observatorien Hubble oder James Webb und den Mitteln der Spektroskopie lässt sich zudem messen, wie schnell eine fotografierte Galaxie und unser Standort sich tatsächlich voneinander entfernen. Daraus ergibt sich der Abstand zur Galaxie.

Erwischt!