AUFRÜSTUNG IM ALL

Auf diesen augenblick warten die Astronomen auf der ganzen Welt seit Jahren: Das Weltraumteleskop Hubble wird endlich repariert und technisch modernisiert – nie zuvor in der Geschichte der Raumfahrt und Astronomie waren Aufwand und Erfolg gleichermaßen groß. Einer dieser Astronomen ist Bruno Leibundgut von der Europäischen Südsternwarte ESO in Garching. Seit mehr als 20 Jahren beobachtet er regelmäßig die sich ausdehnende Wolke eines explodierten Sterns. Es ist die Supernova, die 1987 in der Großen Magellan’schen Wolke aufleuchtete – die erste mit bloßem Auge sichtbare Sternexplosion seit 1604. „Wir verfolgen die Entwicklung der Supernova 1987A mit dem Weltraumteleskop Hubble, seit es in der Umlaufbahn ist”, sagt Leibundgut. Also seit 1990.

Als 2004 der Spektrograph an Bord von Hubble plötzlich den Geist aufgab, traf dies viele Astronomen hart. Mit diesem Instrument ließ sich Licht in seine Spektralfarben zerlegen. Aus dem Spektrum können die Forscher eine Fülle von physikalischen Informationen über Nebel, Sterne und Galaxien ermitteln. Dann fiel 2007 mit der Weitwinkelkamera auch noch das „Arbeitspferd” aus. Ein großes Problem: „Vor allem im UV-Bereich gibt es nichts Vergleichbares mit Hubble”, erklärt Leibundgut. Dieser Wellenlängenbereich ist praktisch nur vom Weltraum aus zugänglich, weil die Erdatmosphäre die ultraviolette Strahlung verschluckt. Und gerade das UV-Licht ist bei der Untersuchung der Supernova 1987A von großer Bedeutung. Denn als der Stern einst seine äußere Hülle ins All abstieß, brach der zentrale Teil zu einem nur 20 Kilometer großen Neutronenstern zusammen. Ein Kubikzentimeter Neutronensternmaterie würde auf der Erde mehrere Hundert Millionen Tonnen wiegen. Dieser junge Sternenrest muss extrem heiß sein und deswegen im UV-Bereich besonders hell leuchten. Bis heute suchen die Astronomen vergeblich nach diesem Körper, den die Theorie vorhersagt.

FÜNF JAHRE VERSPÄTUNG

Nun soll die Besatzung der Weltraumfähre Atlantis die Sehkraft des schwächelnden Himmelsspähers wieder herstellen. Eigentlich war die Reparatur schon 2004 geplant. Doch dann verunglückte der Spaceshuttle Columbia, was ein zweieinhalb Jahre langes Flugverbot für die verbliebene Shuttle-Flotte zur Folge hatte. Es kam noch schlimmer: Der damalige NASA-Chef Sean O’Keefe beschloss, Hubble überhaupt nicht mehr anzufliegen. Der Grund: Träte beim Start ein schwerwiegender Defekt auf, der die Rückkehr des Shuttles verhinderte, dann könnte die Besatzung nicht oben ausharren, bis sie abgeholt wird. Das wäre nur in der Internationalen Raumstation ISS möglich. Doch die kann der Shuttle von Hubble aus nicht erreichen. Die Entscheidung fiel allein schon deswegen schwer, weil die neue Kamera und der Spektrograph im Wert von 180 Millionen Dollar bereits gebaut waren. Doch die NASA hatte nicht mit dem Sturm der Entrüstung gerechnet, von Politikern, aber auch von der amerikanischen Bevölkerung – von den Astronomen ganz zu schweigen. Steve Beckwith, der damalige Leiter des Space Telescope Science Institute in Baltimore, das das Weltraumteleskop betreibt, sagte, die Astronauten wären jederzeit bereit gewesen, Hubble zu besuchen – trotz aller Bedenken. Hubble ist nicht nur einfach ein exzellentes Teleskop, es ist eine Institution. Das wurde spätestens in dieser Situation klar.

Um so größer war die Freude, als O’Keefes Nachfolger Michael Griffin nach reiflicher Prüfung des Risikos sich entschloss, die Hubble-Reparaturmission doch stattfinden zu lassen. Eigentlich sollte es bereits im Oktober vergangenen Jahres losgehen. Doch dann stoppte ein neuer technischer Defekt das Vorhaben. Im Teleskop fiel plötzlich ein Bauteil aus, das die wissenschaftlichen Daten speicherte und zur Erde übertrug. Obwohl ein seit 18 Jahren bereitstehendes Ersatzgerät aktiviert werden konnte, beschloss die NASA sicherheitshalber auch dieses Bauteil auszuwechseln. Es dauerte einige Monate, um den Einbau vorzubereiten und mit den Astronauten zu trainieren.

CRASH IM ALL

Danach schien dem Besuch bei dem Veteranen nichts mehr im Wege zu stehen – bis am 10. Februar über Sibirien zwei Satelliten zusammenstießen. Zu diesem Crash kam es zwar in 900 Kilometer Höhe, aber die Trümmer verteilten sich rasch und gelangten auch in Hubbles Bereich. Die NASA verfolgte die Entwicklung mit Sorgen, denn das Teleskop kreist mit einer Geschwindigkeit von 27 000 Kilometern pro Stunde um die Erde. Jedes noch so kleine Teil, das ihm in die Quere kommt, kann der Shuttle erheblich beschädigen – und für die Astronauten tödlich sein. Bei Redaktionsschluss stand noch nicht fest, ob die für den 12. Mai geplante Service-Mission deshalb erneut verschoben werden muss.

Für den Fall, dass die Atlantis wegen eines Schadens nicht mehr zur Erde zurückkehren kann, hatte die NASA vorgesorgt. Auf der zweiten Startrampe in Cape Canaveral stand der Shuttle Endeavour bereit, um die sieben Astronauten im Notfall bei Hubble abzuholen – einzigartig in der Geschichte der Raumfahrt. Die Endeavour könnte mit vier Astronauten an Bord starten und die sieben gestrandeten Kollegen im All mitnehmen. „Beide Mannschaften haben das ausgiebig trainiert”, sagt Mike Weiss, stellvertretender Projektmanager des Hubble Space Telescope Program bei der NASA. Doch auch ohne all diese Probleme wird die mittlerweile fünfte Hubble-Service-Mission anstrengender sein als alle zuvor. „Sie ähnelt eher einer Gehirnoperation als einem technischen Ausbau”, sagt der führende Flugmanager Tony Ceccacci.

Fünf Außenbordeinsätze von jeweils sechseinhalb Stunden Dauer werden nötig sein, um die Mission auszuführen. Dabei wird sich einer der Astronauten frei um das Teleskop bewegen, während der andere mit einer Fußstütze am Roboterarm des Shuttles befestigt ist. Beide sind über ein Sicherheitsseil mit dem Shuttle verbunden. Den Roboterarm steuert die Astronautin Megan McArthur im Innern der Atlantis. Für die Reparaturarbeiten hat die NASA ein erfahrenes Team zusammengestellt. „Chief Spacewalker” John Grunsfeld war schon an drei Hubble-Reparaturen beteiligt und ist insgesamt viermal ins All geflogen. Seine Kollegen, Shuttle-Kommandant Scott Altman und Michael Massimino, haben Hubble jeweils zweimal besucht. Nur Andrew Feustel, Michael Good, Megan McArthur und Shuttle-Pilot Gregory Johnson sind Weltraumneulinge. Am ersten Tag werden Grunsfield und Feustel sechs Gyroskope auswechseln, mit denen sich das Teleskop ausrichten lässt, außerdem sollen sie Batterien austauschen. Danach wird Hubble wieder voll funktionstüchtig sein.

HIGH-TECH IM ORBIT

Anschließend geht es an die Verbesserung der Sehfähigkeit. Feustel baut die seit 1993 arbeitende Weitwinkelkamera 2 (WFPC 2) aus und ersetzt sie durch eine neue Kamera. Allein dieser Wechsel wird Hubbles Leistungsfähigkeit enorm steigern. Die WFPC2 ist eine Digitalkamera mit vier CCD-Chips, die jeweils 640 000 Pixel besitzen – weniger als die meisten Handykameras. Doch der Vergleich hinkt natürlich: Verbunden mit einem Teleskop wie Hubble sind damit atemberaubende Aufnahmen möglich. Der Nachfolger WFPC 3 wird noch viel mehr leisten: Diese Kamera besitzt einen 16-Megapixel-Chip, der vom UV bis zum nahen Infrarot empfindlich ist. Außerdem können die Astronomen auf einen Ein-Megapixel-Chip umschalten, der Bilder in noch größeren Wellenlängen des Infraroten aufnimmt. Damit lassen sich zum Beispiel sehr weit entfernte Galaxien aufnehmen. Mit der WFPC 3 werden die Astronomen sehr weit in die Vergangenheit des Universums zurückschauen. Und Bruno Leibundgut wird nach dem heiß ersehnten Neutronenstern in der Supernova 1987A suchen können.

Beim zweiten Außenbordeinsatz bauen zwei Astronauten den neuen Cosmic-Origin-Spektrogaphen ein. Mit ihm werden seit dem Ausfall des Spektrographen STIS 2004 erstmals wieder Spektralaufnahmen möglich sein – und das mit einer 10- bis 20-fach höheren Empfindlichkeit. Dafür müssen die Astronauten ein Bauteil entfernen, das früher oft als „Brille” bezeichnet wurde. Die war nötig, weil man bei Hubbles Inbetriebnahme mit Entsetzen festgestellt hatte, dass der große Hauptspiegel, der das Licht in der Brennebene sammelt, einen optischen Fehler besaß. Um ihn zu kompensieren, bauten Astronauten bei der ersten Service-Mission eine Korrekturoptik ein. Erst danach erreichte Hubble die von ihm erwartete Bildschärfe. Heute wird die Optik der Kameras und Spektrographen so konstruiert, dass sie den fehlerhaften Strahl vom Hauptspiegel ausgleicht: Die Brille ist überflüssig geworden.

Der dritte und vierte Außenbordeinsatz wird die höchsten Anforderungen an die Astronauten stellen. Hubble ist so gebaut, dass relativ leicht Instrumente ausgetauscht werden können. An Reparaturen hatten die Konstrukteure jedoch nicht gedacht. Als der Spektrograph STIS 2004 ausfiel, war die Ursache rasch gefunden: Eine Leiterplatine im Stromversorgungsteil war beschädigt. Die Astronauten müssen sie nun auswechseln, um dem Instrument neues Leben einzuhauchen. Das Problem dabei ist, dass Michael Massimino und Michael Good 111 Schrauben lösen müssen, um an das Bauteil heranzukommen. Was auf der Erde nicht weiter schwierig ist, wird in der Schwerelosigkeit und mit den plumpen Handschuhen zur schweißtreibenden Arbeit. Damit keine der Schrauben unkontrolliert herumschwebt und irgendetwas beschädigt, müssen die beiden Astronauten eine Platte anbringen, in der sie die Schrauben sicher fixieren können. Wenn die Operation gelingt, wird der STIS-Spektrograph mit einer neuen Klappe verschlossen – ohne Schrauben.

Bei der Advanced Camera for Surveys (ACS) wird es ähnlich schwierig werden. Hier müssen die Astronauten eine neue Spannungsversorgungseinheit einbauen und Kabel verlegen, mit denen sie das nicht erreichbare defekte Teil umgehen. Auch das ist kniffelig. Die gute Nachricht: Die Abdeckung der ACS ist nur mit 32 Schrauben befestigt. Wenn die Astronauten damit fertig sind, warten noch weitere Arbeiten auf sie. Sie müssen eine Kamera auswechseln, die dazu dient, das Teleskop exakt auf einen Himmelskörper auszurichten und nachzuführen. Außerdem müssen sie die thermische Isolierung erneuern und das Ende letzten Jahres kaputtgegangene Gerät zur Datenübertragung auswechseln.

Hubbles Tod wird vorbereitet

Am Schluss müssen sie ein Bauteil anbringen, an dessen Einsatz noch niemand denken mag. Wenn Hubble in einigen Jahren endgültig abgeschaltet wird, will man es kontrolliert abstürzen lassen, damit es in der Atmosphäre verglüht. Aus eigener Kraft kann Hubble das nicht. Deswegen wird es eine Art Abschlepphaken bekommen. An den dockt dann eine unbemannte Sonde an, die dem Weltraumveteranen eine Feuerbestattung ermöglichen soll.

Wenn die Atlantis nach voraussichtlich 11 Tagen zur Erde zurückkehrt, wird sie ein Weltraumobservatorium zurücklassen, das nach 19 Jahren zu seiner wissenschaftlichen Höchstleistung auflaufen soll. Erstmals stehen den Astronomen fünf Instrumente zur Verfügung: drei Kameras und zwei Spektrographen. Alle Geräte ergänzen sich: Sie decken unterschiedliche Wellenlängenbereiche ab und sind unterschiedlich empfindlich. So eignet sich der Cosmic-Origin-Spektrograph am besten für klein erscheinende Himmelskörper wie Sterne oder Quasare. Mit dem STIS-Spektrograph werden die Wissenschaftler dagegen eher ausgedehnte Objekte wie Galaxien studieren können. Außerdem kann STIS Spektren von 50 Himmelskörpern gleichzeitig aufnehmen. Bruno Leibundgut wird endlich die vor allem im UV-Licht leuchtenden Gasnebel in der Umgebung der Supernova 1987A in der Großen Magellan’schen Wolke beobachten können. Und Richard Ellis, ein Kosmologe vom California Institute of Technology in Pasadena, USA, will sich auf die Suche nach den entferntesten Galaxien machen. Dahinter steckt eine der brennendsten Fragen der heutigen Kosmologie: Wie sind die Galaxien entstanden, und welche Rolle spielten Schwarze Löcher dabei? Garth Illingworth von der University of California in Santa Cruz will mit der neuen WFPC 3 im Verlauf von 200 Erdumrundungen eine bestimmte Region am Südhimmel aufnehmen und dabei weiter in die Tiefen des Alls schauen als irgendeiner jemals zuvor.

Alle Beobachtungszeiten für das erste halbe Jahr sind bereits vergeben, die Erwartungen an den verjüngten Veteranen sind enorm hoch. Trotzdem stellt sich die Frage: Lohnt sich der ganze Aufwand? Ist Hubbles Lebensverlängerung wirklich geschätzte 500 Millionen Dollar wert – plus Instrumentenkosten? Sind die viel größeren Teleskope am Boden heute nicht mindestens genauso leistungsfähig?

ARBEIT AM NACHFOLGER

Ohne Frage haben sich die irdischen Späher in den vergangenen zwei Jahrzehnten enorm verbessert. Die acht Meter großen Spiegel des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile beispielsweise sammeln rund zehnmal mehr Licht als der 2,40 Meter große Hubble-Spiegel. Außerdem ist es gelungen, rund hundert Meter voneinander entfernte Teleskope optisch so zu koppeln, dass sie einen Himmelskörper gleichzeitig ins Visier nehmen können. Ein solches Interferometer erreicht dieselbe Detailschärfe wie ein Teleskop mit einem Hundert-Meter-Spiegel. Und als Drittes haben Techniker die Adaptive Optik entwickelt. Sie ermöglicht es, während der Himmelsaufnahme das von der Luftunruhe verursachte Flimmern zu kompensieren. Erst mit dieser Technik erreichen Großteleskope ihre theoretisch mögliche Detailschärfe. Doch alle diese Techniken sind nur eingeschränkt nutzbar. So funktioniert die Adaptive Optik bloß im Infrarotbereich, nicht jedoch im sichtbaren Licht. Außerdem benötigt sie im Beobachtungsfeld einen Vergleichsstern mit einer bestimmten Mindesthelligkeit, an dem sie sich orientieren kann. Doch den gibt es nicht immer, vor allem nicht bei Galaxienaufnahmen oder bei der Supernova 1987A. Überdies lässt sich mit adaptiver Optik stets nur ein sehr kleines Himmelsfeld korrigieren. Mit Hubble können die Astronomen dagegen schauen, wohin sie wollen: Das Bild ist überall und im gesamten Bildfeld gestochen scharf. Und es gibt keinen Wellenlängenbereich, in dem die Atmosphäre Licht verschluckt. Deswegen nannte die Astronomin Julian Dalcanton von der University of Washington in Seattle unlängst in der Zeitschrift „ nature” die drei wichtigsten Eigenschaften von Hubble: „Standort, Standort, Standort.”

Nach der Generalüberholung sollte Hubble noch mindestens bis 2014 mit voller Kraft arbeiten können. Danach werden nach und nach die Instrumente, Gyroskope und Batterien versagen. Doch während Hubble langsam erblindet, soll sein Nachfolger die Augen öffnen: das Weltraumteleskop James Webb. Ein wahrer Gigant, dessen Spiegel einen Durchmesser von 6,50 Metern haben wird. Er soll der Himmelsforschung in den nächsten 20 Jahren neue Sternstunden bescheren. ■

THOMAS BÜHRKE, Wissenschaftsjournalist und promo- vierter Astronom, berichtet in bdw regelmäßig über Neues aus der Raumfahrt.

von Thomas Bührke