Sternengeschichten Folge 362: Das Spitzer-Weltraumteleskop

Das ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video.

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Sternengeschichten Folge 362: Das Spitzer-Weltraumteleskop

Am 25. August 2003 flog das Spitzer-Weltraumteleskop ins All. Damals wurde es allerdings noch die “Space Infrared Telescope Facility” oder kurz “SIRTF” genannt. Und hatte, wie alle großen Weltraumteleskope, schon eine lange Geschichte. Es gehört zu den sogenannten “Great Observatories” der NASA, ein Programm das seinen Ursprung schon in den 1940er Jahren hat; aber dazu später mehr.

Das erste der vier “Großen Observatorien” ist das Hubble-Weltraumteleskop das 1990 ins All flog. Ihm folgte 1991 das Compton Gamma Ray Observatory zur Beobachtung der kosmischen Gammastrahlung. 1999 wurde das Chandra-Weltraumteleskop gestartet das Röntgenstrahlung beobachtet und das letzte der vier war das Spitzer-Weltraumteleskop das im Zentrum der heutigen Folge stehen soll.

Spitzer ist ein Infrarot-Teleskop. Das heißt es beobachtet nicht das “normale” Licht das auch für unsere Augen sichtbar ist sondern Licht mit einer etwas längeren Wellenlänge die unser Auge nicht mehr wahrnehmen kann. Wir spüren das Infrarotlicht als Wärme, können es aber nicht sehen. Aber es ist da und wird von den Himmelskörpern des Universums genau so abgestrahlt wie das normale, sichtbare Licht. Mit speziellen Kameras und Detektoren kann man es sichtbar machen. Und das Infrarotlicht wiederum erlaubt uns Einblicke die anders nicht möglich wären.

Da ist zum Beispiel der Staub, der überall im Kosmos zu finden ist. Zwischen den Sternen in Form von riesigen Wolken; er umgibt die Zentren von Galaxien, junge Sterne die gerade dabei sind zu entstehen, hüllt Kometen ein – und so weiter. Staub ist überall und normales Licht dringt nicht durch ihn hindurch. Wir können nicht durch die kosmischen Staubwolken hindurch sehen. Es sei denn, wir richten unsere Infrarotaugen auf den Himmel! Denn im Gegensatz zum normalen Licht kann das langwelligere Infrarot durchaus durch die Staubwolken hindurchstrahlen. Das, was ansonsten blickdicht und undurchdringlich ist wird im Infrarotlicht auf einmal transparent!

Es gibt nur ein Problem: So gut das Infrarotlicht auch darin ist, kosmische Staubwolken zu durchdringen, so schlecht ist es bei der Durchquerung von Wasser. Die feuchte Atmosphäre der Erde stellt eine Barriere für die Infrarotstrahlung dar, was unpraktisch für die Wissenschaft ist da sich die allermeisten Astronominnen und Astronomen ja die allermeiste Zeit über auf der Erde aufhalten. Es nützt kaum etwas ein Infrarotteleskop auf dem Erdboden aufzustellen; es wäre blind für den Blick in den Himmel. Aber wenn man es ins Weltall bringt hat es einen freien Blick auf das Universum.

Collage von Bilder die Spitzer aufgenommen hat (Bild: NASA/JPL-Caltech)

Das erste Mal das man so etwas getan hatte, war im Januar 1983 als die USA, Großbritannien und die Niederlande gemeinsam IRAS ins All schickten, den “Infrared Astronomical Satellite”. Dieses erste Infrarot-Weltraumteleskop lieferte natürlich neue Erkenntnisse. Lebte aber viel zu kurz um den Wissensdurst der Astronominnen und Astronomen zu befriedigen. Kaum ein Jahr nach dem Start war es schon wieder außer Dienst, denn ein Infrarotteleskop kann nur dann optimal funktionieren wenn es ausreichend gut gekühlt wird. Das mag absurd erscheinen, denn im All ist es ja sowieso schon ziemlich kalt. Aber eben nicht kalt genug, wenn man auf der Suche nach der schwachen Wärmestrahlung fernster kosmischer Himmelskörper ist! Außerdem können wir ein Infraroteleskop ja nicht irgendwo in den interstellaren Raum schicken. Es befindet sich immer irgendwo im Sonnensystem und wird einerseits direkt von der Sonne angestrahlt und ist andererseits der ganzen Wärme ausgesetzt, die die Erde ins All abgibt. Es muss also gekühlt werden – Spitzer hatte eine Arbeitstemperatur von -268 Grad Celsius, was nur 5,5 Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt! Das geht nur mit flüssigem Helium, das also mit ins All geschickt werden muss – und im laufenden Betrieb verbraucht wird. Je mehr Helium ein Teleskop dabei hat, desto länger kann es arbeiten. Desto teurer wird aber auch die Mission.

Beim Spitzer-Weltraumteleskop entschied man sich außerdem auch noch für eine spezielle Umlaufbahn. Anstatt das Teleskop in eine Umlaufbahn um die Erde zu schicken, lies man es hinter der Erde her um die Sonne laufen und zwar auf einer Bahn auf der es im Laufe der Zeit immer weiter von der Erde wegdriftete. Das hat den störenden Einfluss der irdischen Wärmesstrahlung verringert und man musste sich nur noch darum kümmern, das Sonnenlicht abzuschirmen.

Als das Teleskop dann am 23. August 2003 erfolgreich ins All geschickt wurde, erhielt es – wie es bei der NASA in solchen Fällen üblich ist – auch einen neuen Namen. Aus der “Space Infrared Telescope Facility” wurden das “Spitzer Space Telescope”, benannt nach Lyman Spitzer. Dieser amerikanische Astronom wurde am 26. Juni 1914 geboren beschäftigte sich bei seiner wissenschaftlichen Arbeit vor allem mit dem interstellaren Medium, also dem ganzen Zeug das sich im All zwischen den Sternen befindet. Er leistete aber auch maßgebliche Beiträge zum Verständnis der Prozesse bei denen Sterne entstehen. Und vor allem war er der erste, der 1946 die erste konkreten Pläne ausgearbeitet hat um Teleskope ins Weltall zu schicken. Heute erscheint uns das offensichtlich, aber damals gab es noch keinen einzigen Satelliten der unseren Planeten umkreiste. Die ersten halbwegs brauchbaren Raketen waren erst kurz zuvor erfunden und eingesetzt worden; von Deutschland als Waffe im zweiten Weltkrieg. Die Raumfahrt hatte noch nicht einmal richtig begonnen; Spitzer aber war trotzdem schon davon überzeugt das es möglich sein müsse, Teleskope mit Raketen ins All zu bringen. Dort könnten sie dann das Universum beobachten ohne durch all die störenden Einflüssen der Atmosphäre behindert zu werden.

Spitzer! (Künstlerische Darstellung: NASA/JPL-Caltech)

Bis es dann tatsächlich so weit war, hat es noch einmal fast 50 Jahre gedauert; das erste echte Weltraumteleskop in der Art wie Spitzer es sich vorgestellt hatte war das Hubble-Teleskop das 1990 ins All flog. Eigentlich hätte man das ja nach Lyman Spitzer benennen sollen; er hat sein eigenes Teleskop aber eben erst 2003 bekommen; sechs Jahre nach seinem Tod im Jahr 1997.

Geplant hatte man das Infrarotteleskop für eine Lebensdauer von fünf Jahren; die erste Mission war auf mindestens zweieinhalb Jahre angesetzt. Tatsächlich überlebte es die ersten sechs Jahre nach dem Start ohne Problem, bis im Mai 2009 das flüssige Helium zur Neige ging. Verglichen mit früheren Missionen war das aber schon eine große Leistung! IRAS hatte damals in den 1980er Jahren 560 Liter flüssiges Helium an Bord und konnte damit nur 10 Monate arbeiten. Spitzer kam mit 360 Litern aus und überlebte fast 6 Jahre. Nun aber heizte es sich langsam auf. Nicht stark, verglichen mit dem was wir als Menschen gewohnt sind; nur auf etwa -240 Grad Celsius. Was aber trotzdem schon zu warm für viele der Instrumente an Bord war. Aber nicht für alle; ein paar der Kameras konnten immer noch arbeiten. Nach der “cold mission” ging Spitzer nun in die “warm mission” über. Es konnte nun nicht mehr die schwachen, fernen Infrarotquellen beobachten die es zuvor detektieren konnte. Aber es waren immer noch genug Himmelskörper übrig die Spitzer auch in der aufgewärmten Phase untersuchen konnte. Am 1. Oktober 2016, mehr als 13 Jahre nach dem Start, ging Spitzer in die sogenannte “Beyond phase” über. Mittlerweile war die Arbeit mit dem Weltraumteleskop wirklich schwierig geworden. Auf seiner Umlaufbahn um die Sonne entfernt es sich ja, wie schon gesagt, immer weiter von der Erde. Ursprünglich war das kein Problem, weil man ja nur mit 5 Jahren Missionsdauer gerechnet hatte. Jetzt hatte das Teleskop aber schon fast die dreifache Lebenszeit hinter sich und war so weit von der Erde entfernt, dass die Kommunikation problematisch wurde. In den letzten Jahren seines Lebens soll das Teleskop nun den Weg für seinen Nachfolger bereiten: Das James-Webb-Space-Telescope der NASA, das Spitzer als Infrarot-Weltraumteleskop ablösen soll. Damit es gleich von Anfang an optimale Bedingungen vorfindet, machte sich Spitzer seit 2016 auf die Suche nach spannenden Objekten die vom James-Webb-Space-Telescope dann genauer beobachtet werden können. Fast 17 Jahre nach dem Start, im Januar 2020 endet die Mission von Spitzer dann schließlich mit der Deaktivierung des Teleskops.

Spitzers beeindruckener Blick auf das Zentrum der Milchstraße (Bild: NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (Spitzer Science Center/Caltech))

Eine Folge der Sternengeschichten reicht definitiv nicht um all das aufzuzählen und zu erklären, was dieses großartige Instrument über das Universum herausgefunden hat. Es hat uns zum Beispiel das Zentrum unserer eigenen Galaxie gezeigt; das erste Mal in voller Pracht. Denn genau dort befindet sich der meiste Staub der mit normalen Teleskopen nicht durchdrungen werden kann. 2006 war es dank Spitzer aber möglich das galaktische Zentrum in einer Detailgenauigkeit sichtbar zu machen die bis dahin nicht erreicht werden konnte. Spitzer entdeckte im Jahr 2009 einen bis dahin noch unbekannten großen, aber sehr dünnen Ring des Saturns der aus Staub- und Eisteilchen bestand. Es fand extrasolare Planeten, also die Planeten anderer Sterne. Auch dafür ist ein Infrarotteleskop nämlich gut geeignet: Planeten leuchten bekanntlich ja nicht von selbst sondern reflektieren nur das Licht ihrer Sterne. Aber besonders junge Planeten haben noch extrem viel Wärme aus der Zeit ihrer Entstehung gespeichert. Und können daher im Infrarotlicht durchaus leuchten, was sie zu einem lohnenden Ziel für Spitzer gemacht hat. Spitzer hat die Scheiben aus Gas und Staub beobachtet, die junge Sterne umgeben und aus denen Planeten entstehen. In diesen Scheiben konnte das Teleskop komplexe Moleküle identifizieren; das Teleskop beobachtete Wasserdampf in den Atmosphären von Exoplaneten, entdeckte unzählige unbekannte Zwerggalaxien, lieferte neue Erkenntnisse über die Frühphase des Universums und die Entstehung der allerersten Galaxien im Kosmos.

Von den vier “Great Observatories” der NASA hat das Hubble-Weltraumteleskop die meiste Beachtung in der Öffentlichkeit gefunden; zum Teil natürlich absolut zu Recht denn dieses Teleskop hat unser Verständnis des Universums revolutioniert. Zum Teil aber mit Sicherheit auch, weil es – vereinfacht gesagt – das gleiche sehen kann wie unsere menschlichen Augen, nur besser. Die grandiosen Bilder von Hubble sind uns Menschen näher, weil sie so aussehen wie das, was wir auch selbst sehen könnten, wenn wir größere Augen hätten. Teleskope wie Spitzer, die Licht sehen das für unsere Augen prinzipiell unsichtbar ist haben es da schwerer. Aber gerade die Beobachtung des Unsichtbaren hat die moderne Astronomie erst zu dem gemacht was sie heute ist. Ohne die Erkenntnisse von Spitzer; ohne all die anderen Teleskope die das für unsere Augen unsichtbare Universum beobachten können, würden wir in vielen Bereichen immer noch im Dunkeln stehen.