Bohrloch durchs Universum - wissenschaft.de
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Bohrloch durchs Universum

Hubbles tiefster Blick nach Süden. Mit einer zehntägigen Beobachtungskampagne hat das Hubble-Weltraumteleskop ein rund zwölf Milliarden Lichtjahre tiefes Loch ins Unbekannte gebohrt und dabei viele hundert Urgalaxien zutage gebracht.

HDF-S wird die am besten erforschte Himmelsregion der nächsten Jahre werden“, prophezeit Robert Williams, der Direktor am Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore im US-Bundesstaat Maryland. Der Mann weiß, wovon er spricht. Schon einmal hat er sein persönliches Zeitbudget, das er als Institutsdirektor nach Belieben einsetzen darf, für einen tiefen Blick ins All investiert. Das war im Dezember 1995. Damals hatte das Hubble-Weltraumteleskop zehn Tage lang eine unscheinbare Region beim Großen Wagen wieder und wieder fotografiert. Das Ergebnis, Hubble Deep Field (HDF) genannt, sorgte für einen gewaltigen Schub in der Erforschung des Universums. Nie zuvor war eine weiter entfernte Himmelsregion erkundet worden. Und da ein Blick hinaus in die Tiefe des Raums zugleich ein Blick zurück in die Zeit ist, konnten die Astronomen hier eine Schneise in die Frühphase des Kosmos legen (bild der wissenschaft 10/1996, „Als die Galaxien geboren wurden“).

Nun hat HDF einen Bruder am Südsternhimmel bekommen: Hubble Deep Field-South, kurz HDF-S. Williams und seine 50 Mitarbeiter vom STScI und dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, hatten eine winzige unscheinbare Region im Sternbild Tukan ausgewählt, in der Umgebung des Himmelssüdpols. Nach einigen Testaufnahmen im Oktober 1997 wurde das Hubble-Weltraumteleskop am 28. September 1998 auf diesen Ort ausgerichtet. Bis zum 10. Oktober schaute es fast ununterbrochen dorthin und machte Aufnahme um Aufnahme – 150 Erdumläufe lang vom zentralen Gebiet, und 27 weitere von der Umgebung. Insgesamt sind es 995 Aufnahmen im Bereich der ultravioletten, optischen und nahen Infrarot-Strahlung – jede dauerte im Durchschnitt 30 bis 45 Minuten.

Im Computer wurden alle diese Bilder dann zu einem einzigen Bild zusammengerechnet. Das Ende November 1998 veröffentlichte Resultat zeigt eine Galerie von rund 2500 Galaxien. Die lichtschwächsten haben eine scheinbare Helligkeit der Größenklasse 30 – das ist ein Sechsmilliardstel der Helligkeit, die wir mit bloßem Auge gerade noch wahrnehmen können. So lichtschwach würde uns das Glimmen einer Zigarette in Mondentfernung erscheinen.

„Schon bald nach HDF wollte ich eine zweite Deep Field-Aufnahme“, erinnert sich Williams. „Als es nach einigen Monaten klar war, daß HDF wertvolle Informationen über die Epoche der Galaxienbildung birgt, wußte ich, daß wir eine zweite Region in einer anderen Gegend des Himmels untersuchen mußten.“

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Der Grund dafür ist einfach: Aus einer Stichprobe allein lassen sich kaum weitreichende Schlußfolgerungen ziehen. Denn zufällig könnte das Weltraumteleskop eine untypische Blickrichtung erwischen, was niemand bemerken würde, weil das Bohrloch so schmal ist. Sich auf eine einzige Stichprobe zu verlassen, wäre genauso riskant wie beispielsweise eine Charakterisierung der europäischen Bevölkerung aufgrund der Befragung einer kleinen Menschengruppe in einem sizilianischen Dorf.

Seit die HDF-Daten im Januar 1996 veröffentlicht wurden, haben zahlreiche andere Hochleistungs-Teleskope auf der Erde und im All die winzige Himmelsregion erforscht: vom Infraroten über das sichtbare Licht bis hin zum Röntgenbereich. Mit Hilfe des 10-Meter-Keck- Teleskops auf Hawaii konnten die Entfernungen von 125 der etwa 2500 HDF-S-Galaxien bestimmt werden. Sie betragen zum Teil rund zwölf Milliarden Lichtjahre. Das Licht dieser Galaxien stammt aus einer Zeit, als das Universum allenfalls ein oder zwei Milliarden Jahre alt war. Viele von ihnen haben seltsame Formen, die auf kosmische Karambolagen hindeuteten. Diese waren früher, als die Galaxien noch dichter beieinander standen, häufiger als heute und haben die Evolution der Galaxien anscheinend stark geprägt (bild der wissenschaft 4/1998, „Der galaktische Crash“).

Inzwischen gehen viele Astronomen davon aus, daß Galaxien sich zunächst aus kleineren Bestandteilen – Gaswol-ken und Sternhaufen – bildeten und erst im Lauf der Zeit durch das Einverleiben benachbarter Zwerggalaxien zu dem heranwuchsen, was sie heute sind. Auch die Geschwindigkeit der Sternentstehung im frühen Universum konnten die Wissenschaftler mit Hilfe von HDF besser abschätzen. Ein bis drei Milliarden Jahre nach dem Urknall war die Geburt von Sternen über zehnmal häufiger als heute. Allerdings verbergen sich die meisten dieser jungen Sterne im optischen und ultravioletten Bereich des Spektrums hinter Staubwolken. Nur ihre infrarote Strahlung dringt bis zu uns durch.

HDF-S liefert ein ganz ähnliches Bild. Neben scheibenförmigen Spiralgalaxien und rötlichen elliptischen Galaxien sind auch hier viele seltsam geformte Objekte zu sehen – Live-Aufnahmen von galaktischen Zusammenstößen. Die ersten Analysen von HDF-S bestätigten also das von HDF gewonnene Bild und damit die grundlegende Annahme der Astronomen, daß das Universum in allen Richtungen gleich beschaffen ist. Weitere Erkenntnisse sind in den nächsten Monaten und Jahren zu erwarten, wenn die leistungsfähigen Teleskope auf der Südhalbkugel ihre Arbeit aufnehmen – in Australien und insbesondere in Chile, wo die Europäische Südsternwarte ESO zur Zeit ihr neues Very Large Telescope errichtet.

Im Vergleich zu HDF hat HDF-S aber noch mehr zu bieten. So befindet sich im HDF-S ein Quasar. Mit einer Rotverschiebung von z = 2,2 ist dieses ultraleuchtkräftige Zentrum einer jungen Galaxie ungefähr 9,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Astronomen am Anglo-Australian Observatory im australischen Siding Spring hatten den Quasar 1996 entdeckt. Er war auch einer der Gründe, diesen Himmelsausschnitt für HDF-S zu wählen. Sein Licht hat rund drei Viertel des in dieser Richtung beobachtbaren Universums durchlaufen.

Unsichtbare Wolken aus Wasserstoff haben dabei einen Teil des Lichts verschluckt. Diese Absorptionslinien im Quasar-Spektrum sind für die Astronomen – kosmische Kommissare auf Spurensuche – wie „Fingerabdrücke“. Sie können daraus Rückschlüsse auf die Verteilung der intergalaktischen Materie ziehen.

HDF-S hat noch einen zweiten Vorteil gegenüber dem älteren HDF. Damals stand nur die Wide Field Camera des Weltraumteleskops zur Verfügung. Wäh-rend der letzten Service-Mission von Space Shuttle-Astronauten im Februar 1997 sind aber zwei weitere Instrumente ins Weltraumteleskop eingebaut worden, die jetzt ebenfalls zum Einsatz kamen: STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) und NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer).

STIS hat die ultraviolette Strahlung aus der HDF-S-Region aufgenommen. Sie wurde unter anderem von den heißesten Sternen ausgesandt. Außerdem sammelte STIS spektrale Daten, die Aufschlüsse über die Zusammensetzung der fernen Galaxien gibt. NICMOS registrierte Infrarotstrahlung. Ein Teil davon stammt von Objekten, die in Staub gehüllt und deshalb im optischen Bereich nicht sichtbar sind. Insgesamt enthält HDF-S Informationen aus acht Wellenlängenbereichen. Diese Datenfülle ermöglicht bereits eine erste Abschätzung von Entfernung, Temperatur und Geschwindigkeit der Galaxien.

Erst kürzlich hatte NICMOS 36 Stunden lang einen HDF-Ausschnitt im Infraroten aufgenommen (bild der wissenschaft 1/1999, Seite 68). Er birgt die vielleicht fernsten Urgalaxien überhaupt, wie Astronomen von der University of Arizona in Tucson vergangenen Oktober bekanntgaben. „NICMOS hat den Vorhang geöffnet, der bislang unsere Sicht auf die entlegensten Objekte versperrte, und neue Schauspieler auf der kosmischen Bühne enthüllt“, freut sich Rodger I. Thompson, Leiter des Astronomenteams, das jene NICMOS-Aufnahme monatelang ausgewertet hat. „Nun müssen wir herausfinden, wer, was und wo sie sind. Es gibt noch immer neue Grenzen.“

T hompson gelang es, leuchtschwache rote Galaxien mit kompakten blauen Strahlungsgebieten zu assoziieren, die bereits von der HDF-Aufnahme bekannt sind. „Das bedeutet, daß einige Objekte, die dort als getrennte Galaxien erscheinen, in Wirklichkeit heiße Sternentstehungsregionen in viel größeren, älteren Galaxien sind“, erklärt er.

Außerdem fanden die Astronomen in der NICMOS-Aufnahme zahlreiche Objekte, die kein optisches Gegenstück im HDF haben. Sie sind wahrscheinlich noch weiter entfernt als die HDF-Urgalaxien. Ihre Infrarot-„Farbe“ deutet darauf hin, daß manche zu den fernsten Sterneninseln gehören dürften, die wir kennen. Ihre Strahlung stammt aus einer Zeit, in der das Universum nur einige hundert Millionen Jahre alt war. Für die Suche nach solchen fernen Objekten ist NICMOS besonders gut geeignet, da die Ausdehnung des Universums das Licht der ersten Galaxien soweit auseinandergezogen – in den roten, längerwelligen Bereich verschoben – hat, daß sie von der Erde aus betrachtet nur noch im unsichtbaren Infrarot leuchten.

„Vielleicht sehen wir hier das erste Stadium der Galaxienbildung“, sagt Alan Dressler von den Carnegie Observatories im kalifornischen Pasadena. „Aber die Objekte sind so lichtschwach, daß ihre Natur nur von noch leistungsfähigeren Teleskopen in der Zukunft erforscht werden kann – etwa vom Next Generation Space Telescope, das 2007 ins All gebracht werden soll.“

Rüdiger Vaas

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