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Astronomie|Physik

Garching – das Zentrum des Universums

Nördlich von München befindet sich die größte astrophysikalische Forschungsanlage Europas. Manche Experten sind der Meinung, es sei auch die beste weltweit.

Günter Hasinger ist Astrophysiker und das, so stellt er zufrieden fest, zum richtigen Zeitpunkt: „Wir erleben gerade das Goldene Zeitalter der Astronomie“, sagt er. Schwarze Löcher, Dunkle Energie und Dunkle Materie, extrasolare Planeten – das seien die großen Entdeckungen der letzten zehn Jahre, die ein neues Bild vom Universum gebracht hätten. Und am richtigen Ort ist er auch: Günter Hasinger, 48, ist einer der vier Direktoren des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik (MPE), dessen Forscher an diesem neuen Bild kräftig mitarbeiten.

Das Institut ist in Garching angesiedelt, nördlich von München. Vor 50 Jahren hatte der Ort gerade ein paar Hundert Einwohner. Heute sind es über 15 000, und eine U-Bahn hält da, wo früher Kühe grasten. Mit rund 4000 Beschäftigten und 8500 Studenten ist in Garching eines der größten Wissenschaftszentren Europas herangewachsen. So hat die Technische Universität München auf dem Garchinger Campus ihre Fakultäten für Maschinenwesen, Mathematik, Informatik, Chemie und Physik. Daneben werkeln, passenderweise am Coulombwall, die Kern- und Hochenergiephysiker der Ludwig-Maximilians-Universität. Am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik arbeitet man an den Grundlagen der kontrollierten Kernfusion. Nebenan, im Max-Planck-Institut für Quantenoptik, hat Theodor Hänsch, Nobelpreisträger für Physik, sein Labor.

In unmittelbarer Nachbarschaft beginnt das Reich der Astrophysiker: Da steht das neue Gebäude des MPE Tür an Tür mit dem Rundbau des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA) – und nach wenigen Schritten über einen Parkplatz geht es über eine lange Rampe zur Hauptverwaltung der Europäischen Südsternwarte, besser bekannt als ESO (European South Observatory).

„Alle drei Einrichtungen zusammen“, sagt Günter Hasinger, „ bilden die größte Zusammenballung exzellenter astrophysikalischer Forschungskapazitäten in Europa.“ Und auch weltweit brauche man keinen Vergleich mit anderen Einrichtungen zu scheuen.

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Am Beginn des Astronomiestandorts Garching stand die ESO, deren Hauptverwaltung Ende der Siebzigerjahre von Genf nach Garching zog. Der hohe Freizeitwert Münchens, nicht aber das noch recht unterentwickelte wissenschaftliche Umfeld, soll damals den Ausschlag gegeben haben. Zu dem Zeitpunkt war die Organisation – 1962 von Deutschland, Belgien, Frankreich, den Niederlanden und Schweden begründet – bereits 15 Jahre alt. Ihre Aufgabe: auf der Südhalbkugel eine gemeinsame Sternwarte zu errichten, von der aus Europas Astronomen den wenig erforschten Südhimmel beobachten konnten.

Einen geeigneten Standort hatte man nach etlichen Jahren auf dem chilenischen La Silla gefunden. 2400 Meter hoch und weitab von störenden Ansiedlungen gelegen, bietet der Berg mit 300 wolkenfreien Nächten pro Jahr optimale Beobachtungsbedingungen. Als die ESO ihr Garchinger Domizil bezog, standen in Chile bereits sechs Teleskope – das größte davon mit einem 3,6-Meter-Spiegel bestückt.

Kurz nach der ESO zog auch das MPA auf das Garchinger Forschungsgelände. Die Astrophysiker gehörten damals noch zum MPI für Physik und Astrophysik. Erst 1991 spaltete sich das Institut in drei selbstständige Max-Planck-Institute auf: die MPIs für Physik, für Astrophysik und für Extraterrestrische Physik.

1994 übernahm der britische Astrophysiker Simon White das MPA und machte es fortan zu einem anerkannten „Global Player“ in der Astrophysik. Whites Erfolg ist ein schönes Beispiel dafür, wie wirksam das Max-Planck-Prinzip sein kann. „Suche einen der weltweit besten Forscher seines Fachgebiets“, so lautet dieses Prinzip, „gib ihm ein Institut mit besten Arbeitsbedingungen und lass ihn machen.“

Simon White, Jahrgang 1951, Promo- tion an der englischen Universität Cambridge, gilt als einer der weltweit führenden Kosmologen. Zweimal hat die Universität Cambridge in den vergangenen Jahren versucht, den erfolgreichen Astrophysiker auf den renommierten Plumian Chair im Institute of Astronomy – laut White ein „sehr, sehr gutes Institut“ – abzuwerben. Doch White lehnte ab: „Die Forschungsmöglichkeiten in Deutschland und in der Max-Planck-Gesellschaft sind für mich schlicht und einfach besser.“

Seine zahlreichen Veröffentlichungen wurden mehr als 27 000-mal von anderen Wissenschaftlern zitiert. Das macht den Kosmologen gegenwärtig zum meistzitierten Astrophysiker weltweit. Es ärgert ihn dann schon, wenn man der Öffentlichkeit lieber seinen britischen Landsmann, den Physiker Stephen Hawking, als führenden Kosmologen präsentiert. Der könne schließlich nur 17 000 Zitierungen vorweisen.

In Garching fand White, wie er sich erinnert, ein „deutsches Institut“ vor. Sein Vorgänger hatte es über 15 Jahre lang wohlwollend patriarchalisch geleitet. Die Arbeitssprache war deutsch. Es gab keine institutionalisierte weltweite Zusammenarbeit, kaum ausländische Doktoranden und nur wenige Frauen unter den Wissenschaftlern. Der neue Direktor krempelte das MPA gründlich um. Inzwischen leitet eine Dreiergruppe von Direktoren das Institut mit seinen 120 Mitarbeitern. „Die Hierarchie ist nahezu unsichtbar“, meint Hans-Thomas Janka, seit 20 Jahren am Institut. „Im täglichen Arbeitsbetrieb genießen die Wissenschaftler ein hohes Maß an Freiheit.“

Praktiziert wird die offene Struktur jeden Morgen im Atrium des Instituts. Von halb elf bis elf Uhr hört man da angeregtes Stimmengewirr und das Klappern von Tassen. White hat diesen gemeinsamen Kaffee eingeführt, um die Kommunikation zwischen Wissenschaftlern, Gästen und Studenten zu fördern. Inmitten des Gewühls steckt der Chef selbst – es wird viel gelacht, gute Laune scheint am Institut verbreitet zu sein. Auffällig ist auch der hohe Frauenanteil: Er liegt bei über einem Drittel, vor allem unter den Studenten und Doktoranden. „Die wenigsten stammen allerdings aus Deutschland“, bedauert White. Da sei noch Nachholbedarf.

Man spricht Englisch – White wechselt aber ohne Mühe zu fließendem Deutsch. „Die gesamte Forschung des MPA“, so erläutert Achim Weiss, langjähriger Mitarbeiter des MPA, „ist von den Doktoranden bis zu den Direktoren international ausgerichtet.“ Das Institut ist an wichtigen internationalen Projekten wie der Himmelsdurchmusterung SDSS (Sloan Digital Sky Survey) oder der europäischen Planck-Mission zur Vermessung der Kosmischen Hintergrundstrahlung maßgeblich beteiligt und arbeitet weltweit mit anderen Top-Einrichtungen zusammen. Postdoc-Stellen, etwa 5 pro Jahr, schreibt das Institut international aus. Über 150 Bewerbungen kommen auf eine Stelle – die meisten aus dem Ausland.

Die Garchinger Astrophysiker konzentrieren sich vor allem auf drei Forschungsgebiete: Sternentwicklung, Hochenergie-Astrophysik und Kosmologie. Die Interaktion der Gruppen werde kräftig gefördert, sagt Janka. Diese Offenheit zeichne das MPA gegenüber vielen anderen Instituten aus. Weltruf genießt das Institut, so Janka, bei der Aufklärung der dynamischen Vorgänge, die in der Entwicklungsgeschichte eines Sterns auftreten. Vor allem das gewaltige Ende massereicher Sterne – Supernovae, Gammastrahlen-Ausbrüche – und die Entstehung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern hat es den Forschern angetan.

In der Kosmologie dreht sich am MPA alles um die Frage: Wie haben sich die kosmischen Strukturen seit dem frühen Universum entwickelt? Vor etlichen Jahren mussten Kosmologen die noch immer mysteriöse Dunkle Materie und Dunkle Energie einführen, um die astronomischen Beobachtungen erklären zu können. Darauf beruht das derzeit favorisierte Standardmodell der Kosmologie. Die Beiträge des MPA – und namentlich die von Simon White – waren dafür wegweisend. Die Liste der Zitierungen zu dem Thema belegt dies eindrucksvoll: Das MPA und White liegen weltweit an der Spitze.

Ebenfalls ganz „nahe an der Spitze“, so White, steht das Institut inzwischen bei der Interpretation von Beobachtungsergebnissen. Daran arbeitet vor allem die amerikanische Astrophysikerin Guinevere Kauffmann. Die mehrfach ausgezeichnete Nachwuchsforscherin – 2006 erhielt sie den mit 2,5 Millionen Euro dotierten Leibniz-Preis – ist seit zehn Jahren am Institut und bringt die Daten der Himmelsdurchmusterung SDSS mit Theorien zur Entstehung von Galaxien zusammen. So hat die Auswertung der Beobachtungen von mehr als 120 000 Galaxien ergeben, dass Galaxien und Schwarze Löcher eine Art symbiotische Beziehung eingehen: Sie entstehen und wachsen gemeinsam.

Die Stärke des MPA liegt in seiner Fokussierung auf theoretische Forschungen. Das sei „weltweit einzigartig“, an anderen Einrichtungen mischten sich meist Beobachtung und Theorie, betont Volker Springel, der seit einigen Jahren am Institut arbeitet. Der 36-jährige Forscher ist mehrfacher Preisträger, unter anderem erhielt er 2004 den renommierten Maier-Leibnitz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Von ihm stammen bahnbrechende Arbeiten in der numerischen Kosmologie, der Computersimulation von kosmologischen Vorgängen. Computersimulationen werden neben Beobachtung und Theorie mehr und mehr zum dritten Standbein der Astrophysik, meint Springel. Das MPA steht da an vorderster Front.

Die Mitarbeiter des Instituts gelten als „schnelle Theorie-Truppe“. Aufgrund der weitgefächerten Kompetenz wie auch der personellen Flexibilität des Instituts – nur etwa 15 der 80 Wissenschaftler sind auf Dauer angestellt, die meisten haben Verträge von zwei bis drei Jahren Lauf-zeit – kann es rasch auf neue Beobachtungen reagieren. Nicht zuletzt sind die Wissenschaftler des Instituts sehr neugierig. „Wir sind an allem interessiert“, sagt Achim Weiss, „nicht nur an dem, was wir schon immer machen.“

Gerade herrschen goldene Zeiten für Theoretiker, denn die Astronomen werden von der einströmenden Datenflut beinahe überschwemmt. Dafür sorgen immer mehr, immer größere und immer bessere Beobachtungsgeräte. Da finden Theoretiker, freut sich Springel, heute eine „riesige Spielwiese“. Und, falls der Spaß doch einmal zu weit gehe, habe man als experimentelles Korrektiv ja die ESO und das MPE in der Nachbarschaft.

Als sich das MPI für Extraterrestrische Physik (MPE) 1991 selbständig machte, hatte es gerade sein Meisterstück gestartet: den Röntgensatelliten ROSAT. Damit schrieb das Institut in den folgenden Jahren Wissenschaftsgeschichte und etablierte sich endgültig als hervorragender Instrumentenbauer. Experimentelle Entwicklung ist allerdings aufwendig. Das MPE hat deshalb fast dreimal so viele Mitarbeiter wie der kleinere Bruder MPA.

Nach der Trennung hockte man noch dicht aufeinander. Ein neues Gebäude musste warten – die Max-Planck-Gesellschaft investierte kurz nach der Wiedervereinigung fast nur im Osten Deutschlands. Erst zur Jahrtausendwende erhielt das MPE einen Neubau: der erste, den die Gesellschaft nach der Wende im Westen finanzierte. Ein sehenswerter Bau, gradlinig und zweckmäßig. Er passt zu dem, was Herbert Scheingraber, seit 1979 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut, beim Gang durch das lichtdurchflutete Treppenhaus sagt: „Das MPE ist ein bodenständiges, experimentelles Institut.“

Eine freundliche Spitze gegen die theoretischen Nachbarn mag da anklingen. Doch MPA und MPE pflegen eine gute Nachbarschaft: Man sitzt Tür an Tür, mit gemeinsamem Empfang und gemeinsamer Verwaltung. Das kleinere Institut nutzt die Sitzungs- und Veranstaltungsräume des großen Nachbarn, und man hat gemeinsame Projekte. Man befindet sich im fruchtbaren Zustand der „ Coopetition“, wie Günter Hasinger es nennt.

Doch in Struktur und Arbeitsweise sind beide Institute grundverschieden. Das MPA hat nur wenige feste Angestellte, dafür viele Wissenschaftler auf befristeten Stellen und in kurzfristigen Programmen. Aus den interessantesten Themen, die auf dem Markt sind, kann es sich die meistversprechenden heraussuchen und rasch bearbeiten. Die Forscher des MPE dagegen sind auf die Entwicklung experimenteller Geräte angewiesen. Das kann dauern. „Wenn wir ein neues Projekt anfangen“, so Hasinger, „ sind wir die nächsten fünf bis zehn Jahre beschäftigt.“ Das bedeutet größere Infrastruktur, mehr Ingenieure und mehr Dauerstellen.

Das MPE forscht mit Instrumenten, die es selbst entwickelt oder an deren Entwicklung es maßgeblich – wenn möglich federführend – beteiligt ist. Das klappt nur, wenn Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker eng zusammenarbeiten. Diese Kombination macht das MPE weltweit einzigartig. Auf beiden Feldern – in Wissenschaft und Technologie – glänzt das Institut: sechs MPE-Wissenschaftler zählen laut ISI-Statistik zu den weltweit meistzitierten Forschern der Kategorie „Space Science“ .

Die Grundlage dafür bildet die Spitzentechnik der Gerätebauer, wobei das Institut sich mit Teleskopen und Detektoren für Röntgen- und Gammastrahlung sowie Licht im Infrarotbereich profiliert. Derartige Strahlung lässt sich – abgesehen von ein paar Infrarotfenstern – nur außerhalb der Atmosphäre beobachten, sodass das MPE vor allem satellitengestützte Instrumente entwickelt und einsetzt.

Paradestück war der 1990 gestartete Röntgensatellit ROSAT. Ausgelegt auf eine Lebensdauer von zwei Jahren, war er neun Jahre aktiv. „ROSAT ist weltweit das bislang produktivste Satellitenexperiment“, sagt Scheingraber. „Kein anderes hat so viele Publikationen hervorgebracht.“ ROSAT führte unter anderem die erste vollständige Himmelsdurchmusterung im Röntgenbereich durch und fand dabei 60 000 Röntgenquellen.

Dabei brachte ROSAT nicht nur reiche wissenschaftliche Ernte, sondern auch eminente technische Expertise: Seit ROSAT betreibt das Institut die Röntgentestanlage PANTER, in der inzwischen fast alle röntgenastronomischen Experimente getestet und eingestellt werden.

In Zusammenarbeit mit dem MPI für Physik entstand außerdem ein Halbleiterlabor, in dem das Institut spezielle Halbleiterdetektoren für Röntgenteleskope und Teilchendetektoren entwickelt. Abnehmer dafür finden sich auch in der Industrie und anderen Forschungseinrichtungen.

Ein schönes Beispiel für die fruchtbare „In house“-Verbindung von Technologie und Wissenschaft liefert die Infrarotastronomie. 2002 entdeckte eine von Reinhard Genzel, einem der vier Direktoren des Instituts, geleitete Arbeitsgruppe im Zentrum der Milchstraße ein Schwarzes Loch. Ein Jahr später wurden die Astronomen des Instituts durch infrarote Lichtblitze überrascht, die sie am selben Ort beobachten konnten: Diese entstanden offenbar, als heißes Gas in das Schwerkraftloch gesogen wurde.

Bei diesen epochalen Entdeckungen lieferte sich Genzels Gruppe ein freundschaftliches Wettrennen mit Astronomen der University of California, bei dem das Garchinger Team „aufgrund der besseren Instrumente“ (Genzel) die Nase vorn hatte. Die verwendete Infrarotkamera hatte das MPE zusammen mit dem Heidelberger MPI für Astronomie entwickelt und gebaut. Montiert wurde die Kamera am Großteleskop VLT (Very Large Telescope), das die ESO auf dem chilenischen Berg Paranal betreibt. Kombiniert mit einer adaptiven Optik zur Korrektur atmosphärischer Turbulenzen liefert das VLT schärfere Bilder als das Hubble-Weltraumteleskop.

Walter Rix, ehemals Doktorand bei Simon White und heute Direktor am Heidelberger MPI für Astronomie, hatte der MPG an dem Tag zugesagt, als das VLT sein erstes Foto lieferte. „Damals war absehbar“, so erinnert sich Rix, „dass die europäische Astronomie mit dem VLT eine Führungsrolle in der beobachtenden Astronomie übernehmen könnte.“

In der Tat: Das aus vier 8,2-Meter-Teleskopen bestehende VLT ist das Meisterstück der ESO, das problemlos mit den großen amerikanischen Einrichtungen mithalten kann. Tom Wilson, amerikanischer Astronom und stellvertretender ESO-Direktor der Südsternwarte, geht noch weiter, wenn er sagt: „Die ESO ist derzeit die beste Sternwarte weltweit.“

Dafür sorgen die 570 ESO-Mitarbeiter in Garching und Chile mit einem jährlichen Budget von derzeit 106 Millionen Euro. „ Beobachtungsinstrumente zu bauen und zu betreiben, ist unsere Hauptaufgabe“, sagt Cathérine Cesarsky, Generaldirektorin der ESO. „Die wissenschaftliche Arbeit kommt für die Mitarbeiter der ESO erst an zweiter Stelle.“ Die französische Astrophysikerin leitet die Südsternwarte seit 1999 und ist am Astronomiestandort Garching die einzige Frau unter den Direktoren. Im vergangenen Jahr wurde sie zur Präsidentin der Internationalen Astronomischen Union (IAU) gewählt und ist damit die erste Frau in diesem Amt. Sie ist, wie bei französischen Karrierefrauen üblich, verheiratet und hat zwei Kinder.

Die Zusammenarbeit zwischen den Max-Planck-Instituten und der ESO „funktioniert so gut, wie die Nähe der Institute es vermuten lässt“, erklärt Herbert Scheingraber. Man kennt sich, die Dienstwege sind kurz. Forscher, die bei Max-Planck promoviert haben, arbeiten bei der ESO und umgekehrt. Auch wenn die ESO eine zwischenstaatliche Einrichtung ist – 13 europäische Staaten sind zurzeit Mitglied –, gibt es, zumindest in Garching, keine Klagen über ein Übermaß an Bürokratie. Wer bei der NASA Beobachtungszeit für ein Instrument beantragt, habe mit einer ausgeuferten Bürokratie zu kämpfen, sagt Scheingraber. „Bei der ESO geht es deutlich entspannter zu.“

MPE und Südsternwarte arbeiten beim Bau von Instrumenten eng zusammen. Die ESO liefert die Bauteile, das MPE baut sie zusammen, integriert Hard- und Software und testet das fertige Instrument. Eine solche Kooperation pflege die ESO natürlich auch mit anderen Gruppen, meint Wilson. Das MPE mit seinen „ außergewöhnlichen Fähigkeiten“ und seinen „exzellenten Leuten mit langjähriger Erfahrung im Bau von Instrumenten“ spiele aber schon eine besondere Rolle.

Bei der Zusammenarbeit gewinnen beide Seiten: Die ESO erhält günstige Instrumente, da sie nur das Material, nicht aber die Arbeitszeit bezahlen muss. Dem MPE garantiert die Südsternwarte im Gegenzug Beobachtungszeit am Instrument – ein wichtiger Vorteil im wissenschaftlichen Wettstreit, denn von den zahlreichen Anträgen zur Nutzung des VLT werden nur etwa ein Drittel genehmigt.

Was braucht man, um in Zukunft am Standort Garching weiterhin erfolgreiche Astrophysik zu betreiben? „Große Teleskope, Satellitenexperimente und exzellente junge Leute“, sagt Günter Hasinger. Für die Teleskope sorge die „schlagkräftige ESO“. Derzeit wird in den chilenischen Anden das Radioteleskop ALMA gebaut, das aus 66 Radioantennen bestehen und eine 50-mal höhere Auflösung als die bisherigen Geräte bieten soll. Die Astronomen werden damit die Sternentwicklung im frühen Universum direkt beobachten können. Grünes Licht gibt es seit 2006 auch für das „ European Extremely Large Telescope“ (E-ELT), das 2018 seinen Betrieb aufnehmen soll. Mit seinem 42 Meter großen Hauptspiegel wird es das größte optische Teleskop der Welt sein. Das MPE ist an der technologischen Entwicklung beteiligt.

Im Weltraum sieht das MPE seine nahe Zukunft als gesichert. Im Bau befindet sich – unter der Federführung des Instituts – das große Röntgenteleskop eROSITA (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array), das 2009 auf einem russischen Satelliten von Kourou aus starten soll. Beteiligt ist das MPE auch am großen Röntgenobservatorium XEUS (X-ray Evolving Universe Spectroscopy), das die europäische ESA für die nächste Dekade plant, ebenso wie am europäischen Infrarotsatelliten Herschel (Start 2008). Das Messinstrument PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer), der Beitrag des MPE für Herschel, ist vom Umfang her mit ROSAT vergleichbar. Langfristig aber sorge man sich darum, sagt Hasinger, dass die reine Wissenschaft im Weltraum gegenüber anderen Nutzern an Bedeutung verliere.

Für exzellente junge Leute könnte der „Exzellenzcluster“ sorgen, der sich am Astronomiestandort Garching im Rahmen der vom Bundesforschungsministerium geförderten Exzellenzinitiative ansiedeln wird. Er trägt die Bezeichnung „Origin and Structure of the Universe“, wird von der TU München zusammen mit der LMU geleitet und soll Astrophysik und Teilchenphysik zusammenbringen. Die Garchinger Max-Planck-Institute und die ESO werden darin eine wichtige Rolle spielen. Allein fünf Direktoren von MPA und MPE sind am Cluster beteiligt, der zehn Nachwuchsgruppen und 40 neue Wissenschaftlerstellen umfassen wird. Die Gutachter der Deutschen Forschungsgemeinschaft und des Wissenschaftsrats erwarten, dass sich der Cluster „mittelfristig zu einem der weltweit führenden Zentren entwickeln wird“. Gute Aussichten für den Astronomie-Standort Garching! ■

Seit HEINZ HOREIS vor zwei Jahren für bdw die Max-Planck-Gesellschaft porträtierte, findet er, dass sie ein Glücksfall für Deutschland ist.

Heinz Horeis

Ohne Titel

• Die Max-Planck-Institute für Astrophysik (MPA) und für Extraterrestrische Physik (MPE) und die Europäische Südsternwarte (ESO) entschlüsseln in Garching das Universum. Ein Institut arbeitet Theorien aus, das andere baut Instrumente und beobachtet, und die ESO betreibt mehrere Superteleskope in Chile.

• Millionen Galaxien im Computer: Das MPA liefert die besten Simulationen zur Entwicklung der großräumigen Strukturen im Universum.

• Mit exzellenten Röntgen- und Infrarot-Teleskopen macht das MPE erfolgreich Jagd auf Schwarze Löcher, Explosionswolken von Supernovae und andere Exoten im All.

COMMUNITY Internet

Website des Max-Planck-Instituts für Astrophysik:

www.mpa-garching.mpg.de

Website des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik:

www.mpe.mpg.de/main-d.html

Website der ESO:

www.eso.org/

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