„GREAT funktioniert wie ein Radio für kosmische Signale“

Rolf Güsten über das Ferninfrarot-Spektrometer an Bord des Observatoriums SOFIA

Den 6. April 2011 wird Rolf Güsten so schnell nicht vergessen. An jenem Tag absolvierte die fliegende Infrarot-Sternwarte SOFIA ihren ersten Forschungsflug mit GREAT. Das unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie entwickelte Spektrometer nahm die Molekülwolke M 17 sowie die Galaxie IC 342 ins Visier. Für Projektleiter Güsten und sein Team war das nach langen Jahren der Vorbereitung ein besonderer Moment.

Welche Gefühle bewegten Sie, als die ersten Ergebnisse eintrafen?

Erleichterung, Stolz und – ja – Erstaunen! Erleichterung, dass wir nach den oft nicht einfachen Jahren der Verzögerung im Projekt angekommen sind, es nun endlich losgeht. Stolz auf die Leistung unseres hoch motivierten Teams. Und ein wenig Überraschung, wie problemlos wir die ersten Photonen aus dem All detektieren konnten. Aufgrund der hohen Absorption durch den Wasserdampf in der terrestrischen Atmosphäre ist unser Spektrometer GREAT auf dem Erdboden blind für Signale aus dem Universum. Und so sorgfältig die Vorbereitung im Labor auch gestaltet wurde, es verblieb ein gehöriges Maß an Unsicherheit, wie die verschiedenen Module eines so komplexen Instruments, integriert mit dem Teleskop und der Infrastruktur eines fliegenden Observatoriums, dann letztlich zusammenspielen würden.

Was macht GREAT so besonders?

GREAT – der German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies – ist ein Detektor für hochauflösende Spektroskopie bei ferninfraroten Wellenlängen zwischen 60 und 250 Mikrometern, also Millionstel eines Meters. GREAT ist keine Kamera und liefert keine beeindruckenden Bilder astronomischer Objekte wie man sie etwa vom Weltraumteleskop Hubble kennt. Das Spektrometer analysiert die Frequenz­information des astronomischen Signals und arbeitet nach dem Heterodyn-Prinzip wie ein Analogradio, an das sich die älteren Leser vielleicht noch erinnern: Ähnlich wie der Hörer den Empfang auf die Frequenz des gewünschten Senders abzustimmen vermochte, lässt sich GREAT auf die Frequenz und damit die Wellenlänge des astronomischen Signals einrichten. Da nun jedes Atom und Molekül – auf der Erde wie im Weltraum – einen eindeutigen spektralen Fingerabdruck hinterlässt, ermöglicht GREAT somit die Atom- und Molekülspektroskopie des interstellaren Gases. Aufgrund des rasanten technologischen Fortschritts arbeitet GREAT mit noch vor zehn Jahren ungeahnter Präzision: Die Frequenzanalyse ist auf ein 100-millionstel genau, die Empfindlichkeit der Detektoren so gesteigert, dass eine Messung 1000-fach schneller abläuft als noch in den 1980er- Jahren mit SOFIAs Vorläufer, dem Kuiper Airborne Observatory.

„Jedes Fernrohr hat seinen Himmel“, lautet ein bekannter Spruch in der Astronomie. Wie sieht denn der Himmel für GREAT aus? Welche Objekte beobachtet das Instrument?

Die Domäne von GREAT ist die Spektroskopie des warmen Gases – sei es in den interstellaren Molekülwolken der Milchstraße, in ihren Nachbargalaxien, in denen neue Sterne entstehen, oder in den zirkumstellaren Hüllen entwickelter und in den Scheiben junger Sterne. Außerdem beobachtete GREAT auch die Atmosphären der Planeten und Monde des Sonnensystems. Die Reaktion der Nutzer auf die erste Ausschreibung für das Instrument spiegelte genau dieses breite Spektrum astronomisch relevanter Fragestellungen wider. Erst die hohe Durchlässigkeit der Atmosphäre auf der Flughöhe zwischen 12 und 15 Kilometern öffnet den Zugang zu den strahlungsintensivsten Linien des interstellaren Mediums: den Feinstruktur-Übergängen des ionisierten Kohlenstoffs, des ionisierten Stickstoffs und des atomaren Sauerstoffs, um nur einige wichtige zu nennen.

Und das Studium dieser Linien dient …

… dem Verständnis der Wärmebilanz des interstellaren Mediums. In sehr engen Frequenzbereichen wird ein immenser Teil der thermischen Energie des umgebenden Gases abgestrahlt – eine Voraussetzung dafür, dass sich letztendlich neue Sterne bilden können. Die Übergänge in den Grundzustand der wichtigsten Hydride, wie dem Hydroxyl-Radikal OH, emittieren aufgrund ihrer niedrigen Masse im Ferninfraroten. So haben wir einen Detektor von GREAT für die Untersuchung des Deuterium-Hydrids optimiert. Die Bestimmung der Deuteriumhäufigkeit wiederum ist für die Kosmologie von großem Interesse, da Deuterium in nennenswerter Menge nur während des Urknalls erzeugt wurde.