Philip-Morris-Forschungspreis 2004 für Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie

Entwicklung hochempfindlicher Bolometer-Empfänger ermöglicht die Erforschung des nahen und fernen Universums

Bolometer sind äußerst empfindliche Radiowellenempfänger, die Strahlung in einem breiten Frequenzbereich empfangen können. "Da es für solche Geräte bisher keine kommerziellen Anwendungen gibt, müssen wir sie halt selber entwickeln", erklärt Ernst Kreysa vom MPIfR, einer von wenigen Spezialisten weltweit, die solche Detektoren entwickeln. Für den Einsatz in Teleskopen sind Bolometer ideal geeignet, da sie fast die gesamte einfallende Strahlung absorbieren. Ein Bolometer-Detektor besteht aus einer millimeter-großen Folie, in der die einfallende Strahlung absorbiert wird. Eine Änderung der Strahlungsintensität führt zu einer geringen Temperaturänderung der Folie, die von empfindlichen elektronischen Thermometern registriert wird. Um solche winzigen Temperaturschwankungen überhaupt messen zu können, müssen die Bolometer auf 0,3 Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius) gekühlt werden.

In einer Bolometer-Kamera sind viele einzelne kleine Bolometer-Einheiten zu einer Matrix verbunden, vergleichbar mit den Pixeln einer Digitalkamera. Seit 1991 werden Bolometer-Kameras des MPIfR am IRAM 30-Meter-Radioteleskop auf dem Pico Veleta in Südspanien eingesetzt. Während die ersten Kameras nur sieben Pixel besaßen, wird heute die MAMBO-2 Kamera mit 117 Pixeln (Max-Planck Millimeter Bolometer, Abb. 1) verwendet. "Mit dem 30-Meter-Radioteleskop steht uns das weltbeste Millimeter-Teleskop zur Verfügung. Die Kombination mit unseren Bolometern ist schwer zu übertreffen", erläutert Karl Menten.

Mit Bolometer werden insbesondere die Geburtsstätten von Sternen beobachtet. In den allerersten Phasen ihrer Entwicklung sind Sterne noch von den dichten Gaswolken umgeben, aus denen sie entstanden sind. Die mikroskopischen Staubteilchen dieser Wolken absorbieren das Licht der jungen Sterne fast vollständig. Der Staub erwärmt sich dadurch und strahlt die aufgenommene Energie als infrarote Wärmestrahlung wieder ab. Diese kann von den empfindlichen Bolometer-Kameras nachgewiesen werden.

Durch die enorme Empfindlichkeit der neuen Bolometer-Kameras wurde in den letzten Jahren eine Klasse von sehr entfernten Galaxien entdeckt, die selbst in den besten optischen Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops nur sehr schwer oder gar nicht aufzufinden waren. Diese im optischen Licht durch Staub verdunkelten Galaxien bilden Sterne mit ungeheuer hohen Raten. Man nimmt an, dass fast die Hälfte aller Sterne im Universum in solch gasreichen und infrarot-hellen Galaxien entstanden sind. Solche Galaxien kommen im heutigen Universum nicht mehr vor (Abb. 2).

In den letzten Jahren haben Bolometer auch bedeutende Erkenntnisse über die Entstehung der ersten Galaxien im Universum ermöglicht. Insbesondere konnte die thermische Strahlung von Sternentstehungsgebieten in Quasaren nachgewiesen werden. In diesen auch bei optischem Licht leuchtkräftigen Galaxien fällt Materie auf riesige Schwarze Löcher und leuchtet dabei hell auf. Aufnahmen mit der MAMBO-Kamera haben gezeigt, dass gleichzeitig mit der Entstehung Schwarzer Löcher in deren Umgebung in großer Zahl neue Sterne entstehen. Diese Verbindung zwischen der Entstehung von Sternen und massereichen Schwarzen Löchern ist eines der interessantesten Rätsel der modernen Astrophysik. Dem Bonner Team war es im vergangenen Jahr sogar möglich, Staub im entferntesten bekannten Quasar zu entdecken. Das bedeutet den Beweis für Sternentstehung in einer Zeit, in der das Universum gerade einmal 800 Millionen Jahre alt war (heutiges Alter knapp 14 Milliarden Jahre).

Bereits in den 80er Jahren wurde mit der Bolometer-Entwicklung am MPIfR begonnen, um die Sternentstehung in unserer Milchstraße zu untersuchen. In der Forschungsabteilung von Prof. Peter G. Mezger baute Ernst Kreysa, heute Leiter der Bolometer-Entwicklungsgruppe, 1981 das erste 1-Kanal-Bolometer. Mit Prof. Karl M. Menten, der seit 1996 als Direktor für Millimeter- und Submillimeter-Astronomie am MPIfR arbeitet, wurden Untersuchungen der Sternentstehung in unserer Milchstraße weiter forciert. Gleichzeitig hat man die Messungen mit Bolometer-Empfängern sowohl auf Entwicklungen in weit entfernten Galaxien und Quasaren als auch auf unsere unmittelbare kosmische Nachbarschaft am Rande des Sonnensystems ausgedehnt.

"In unserem Sonnensystem wecken insbesondere Kometen und ferne Asteroiden unser Interesse", sagt Frank Bertoldi, der seit 1998 als Bolometer-Projektwissenschaftler am Institut tätig ist. "Diese bestehen aus relativ gut erhaltener urzeitlicher Materie, die bei der Entstehung unseres Sonnensystems übrig blieb. Im Inneren des Sonnenystems wurden die kleineren Gesteins- und Eisbrocken hingegen von den großen Planeten verschluckt." Mit Bolometer-Beobachtungen gelang es den Bonner Forschern in den letzten Jahren, die Größe von einigen der entferntesten Asteroiden zu bestimmen. Das ist ein wichtiger Parameter, um die Gesamtmasse aller Asteroiden abzuschätzen und deren Oberflächeneigenschaften zu erforschen. Unter den vemessenen Asteroiden war auch Quaoar, das größte Objekt, das seit der Entdeckung von Pluto 1930 im Sonnensystem gefunden wurde.

Das MPIfR ist weltweit führend in der technologischen Entwicklung von Bolometer-Kameras. Den momentanen Höhepunkt markiert die Large APEX Bolometer Camera, LABOCA, eine Kamera mit 295 einzelnen Bolometern, die Mitte diesen Jahres am neuen APEX-Radioteleskop in 5000 Meter Höhe in Chile zum Einsatz kommen wird (Abb. 3). LABOCA entsteht in Kollaboration mit der Ruhruniversität Bochum und dem Institut für Physikalische Hochtechnologie in Jena. Und so ist Prof. Karl Menten davon überzeugt, dass "bei dem rapiden Fortschritt in der Bolometer-Technologie noch längst kein Ende in der Entwicklung neuer Empfänger am MPIfR abzusehen ist - es bleibt spannend!"