• Das MPI für Astronomie
• Der Bau der Teleskope
• Die Instrumentierung auf dem Königstuhl
• Extraterrestrische Forschung
• Das Observatorium
• Die Teleskope auf dem Calar Alto
• Astronomie und Astrophysik
• Sternentstehung in der Milchstraße
• Galaxien

Das MPI für Astronomie

Die Gründung des Max-Planck-lnstituts für Astronomie (MPIA) im Jahre 1969 ging aus der Einsicht hervor, daß ein überregionales, mit leistungsfähigen Teleskopen ausgestattetes Institut erforderlich sei, wenn im Bereich der optischen Astronomie zeitgemäße Forschung wieder möglich und der Anschluß an die Entwicklung im Ausland wiedergewonnen werden sollte. Das MPI für Radioastronomie in Bonn, sowie die MPl's für Extraterrestrische Physik und für Physik und Astrophysik in München beschäftigen sich mit verwandten, sich gegenseitig ergänzenden Aufgaben: Beobachtungen in benachbarten Spektralbereichen (Radioastronomie, Röntgenastronomie), systematischer Einsatz nicht erdgebundener Beobachtungsmethoden (Ballone, Höhenforschungsraketen, Satelliten und Raumsonden) und theoretische Behandlung astrophysikalischer Fragen.

Das MPIA besteht aus zwei Teilen: Das 1975 fertiggestellte Zentralinstitut in Heidelberg widmet sich der Vorbereitung und Auswertung astronomischer Beobachtungen und der Entwicklung neuer Meßverfahren. Für die Teleskope des Instituts wurde eine Beobachtungsstation in günstigem Klima vorgesehen. Nach eingehenden Untersuchungen der klimatischen und meteorologischen Bedingungen konnte 1973 in Zusammenarbeit mit spanischen Stellen mit dem Bau des Deutsch-Spanischen Astronomischen Zentrums auf dem Calar Alto bei Almeria (Andalusien) begonnen werden. Mit der Inbetriebnahme des 3,5-m-Teleskops 1984 war die Aufbauphase abgeschlossen.

Die Planung, Entwicklung und Betreuung der Einrichtungen in Heidelberg und auf dem Calar Alto, die allen Astronomen der Bundesrepublik wie auch ausländischen Gästen zur Verfügung stehen, ist nicht die einzige Aufgabe des Instituts: Wesentlich ist die eigene, selbständige Forschung. Dabei ist das enge Zusammenwirken von Wissenschaftlern und Technikern ein typisches Merkmal unserer Arbeit, denn fast jede neue astronomische Fragestellung bringt auch neue technische Probleme mit sich. Daher sind qualifizierte Leistungen in der Datenverarbeitung, Elektronik, Feinwerktechnik und Phototechnik für uns ebenso wichtig wie kluge astronomische Einsichten.

Vorrangige astronomische Fragestellungen betreffen den Bau des Milchstraßensystems und die Entstehung von Sternen aus interstellarer Materie. Der Einsatz der neuen lichtstarken Teleskope auf dem Calar Alto erlaubt auch die Erforschung extragalaktischer Systeme (Galaxien, Quasare), sowohl im Hinblick auf Struktur und Entwicklung der einzelnen Objekte als auch in bezug auf den Aufbau und die Geschichte des Universums als Ganzes (Kosmologie). Zur Analyse des empfangenen Lichtes werden Methoden der CCD-Photographie, Photometrie und Spektroskopie im visuellen und infraroten Spektralbereich angewandt und weiterentwickelt.

Die Forschung des Instituts geschieht zwar selbständig und in eigener Verantwortung, doch bestehen vielfältige Kontakte zu anderen Forschungsgruppen im In- und Ausland. Es besteht auch eine enge Verbindung zur Universität Heidelberg, der die Institutsdirektoren Steven Beckwith und Hans Elsässer als Professoren angehören. Studenten der Fakultät für Physik und Astronomie führen am MPIA im Rahmen ihrer Ausbildung Examensarbeiten für Diplom- und Doktorprüfung durch. Die Forschungsergebnisse werden laufend in internationalen Fachzeitschriften publiziert. Für eine breitere Öffentlichkeit wird am MPIA monatlich die Zeitschrift Sterne und Weltraum herausgegeben.

Das Institut hat rund 150 Mitarbeiter, davon sind etwa 40 Wissenschaftler und 70 Techniker. Dazu kommen etliche Gastwissenschaftler und Stipendiaten aus dem In- und Ausland.

Der Bau der Teleskope

Teleskope haben eine zweifache Funktion: Zum einen sammeln sie die von fernen Himmelskörpern ausgesandte Strahlung, wobei ihre Öffnung, d. h. der Durchmesser des Hauptspiegels, die Lichtstärke bestimmt. Zum anderen entwerfen sie ein Bild der beobachteten Objekte, dessen Schärfe und Reichtum an erkennbaren Einzelheiten durch das Auflösungsvermögen gegeben ist. Auch das Auflösungsvermögen nimmt im Idealfall mit der Öffnung der Teleskope zu. Allerdings wird es mit zunehmender Größe immer schwieriger, und daher auch immer teurer, die optische und mechanische Qualität der Geräte optimal zu halten. Die Ausstattung eines Observatoriums stellt daher stets einen Kompromiß zwischen den Idealvorstellungen der Astronomen und dem praktisch Realisierbaren dar. Hier soll an Hand einiger Beispiele veranschaulicht werden, wie zäh und aufwendig beim Bau der Teleskope das Ringen um den technischen Fortschritt sich in der Praxis darstellt.

Während die klassischen Reflektoren parabolisch gekrümmte Spiegel besitzen, haben die Hauptspiegel der MPIA-Teleskope hyperbolische Oberflächen. Mit dieser komplizierteren Form wird eine starke Erweiterung des nutzbaren Bildfeldes erreicht, da die unvermeidlichen Abbildungsfehler jetzt erst bei 0,5 Grad außerhalb der optischen Achse die Bildqualität beeinträchtigen. Dabei muß die Sollform der Spiegel mit hoher Genauigkeit eingehalten werden: Abweichungen müssen klein sein gegen die Wellenlänge des Lichts, nicht größer als etwa 0,00002 mm. Auf die Oberfläche des Bodensees übertragen entspricht das der Forderung, daß alle Wellen kleiner sein müßten als 1/4 Millimeter!

Daraus ergibt sich als erstes Problem: Der eigentliche Spiegelkörper muß aus einem Material bestehen, das einen so genauen Schliff und die damit verbundene mechanische Belastung überhaupt zuläßt, das weiterhin in jeder Lage des Teleskops seine wertvolle Form auch beibehält (sich also unter dem eigenen Gewicht praktisch überhaupt nicht verformt), und das schließlich gegen die unvermeidlichen Temperaturänderungen während der Beobachtungen unempfindlich ist.

Das Glaswerk Schott & Gen. in Mainz löste dieses Problem 1968 in fast idealer Weise mit der neu entwickelten Glaskeramik Zerodur. Die Technologie zur Herstellung großer Spiegelkörper aus diesem Material ist aufwendig. Für den Hauptspiegel des 3,5-m-Teleskops mußte aus 40 Tonnen völlig homogener, fast 2000 Grad heißer Schmelze "in einem Guß" der 18 Tonnen schwere Rohling geformt werden. Die thermische Nachbehandlung, eine genau gesteuerte Abkühlung und Keramisierung, dauerte fast 500 Tage. Erfolg: Erhöht sich die Temperatur des 3,5-m-Spiegels um 1 Grad, so wächst sein Durchmesser um ganze 0, 000005 Milimeter!

Die in Mainz hergestellten Rohlinge wurden anschließend bei C. Zeiss, Oberkochen, in einer eigens für den Bau der Großteleskope des MPIA aufgebauten Abteilung weiterverarbeitet. Auch die Herstellung der Spiegelflächen geht nicht von heute auf morgen: Die Sollform des 3,5-m Spiegels wurde nach annähernd vierjähriger Schleif- und Polierarbeit erzielt!

Mit der Herstellung der Spiegel ist es noch lange nicht getan. Die relative Lage der schweren Haupt- und Sekundärspiegel im Teleskop muß bei jeder Beobachtungsrichtung erhalten bleiben, da sonst die Abbildungseigenschaften der Instrumente verlorengehen. Die daraus erwachsenden mechanischen Probleme der Tubus-Konstruktionen und der Montierungen löste die Firma C. Zeiss in Zusammenarbeit mit MAN, Gustavsburg. Die voll beweglichen Teleskope sind in ihrem Schwerpunkt praktisch reibungsfrei hydrostatisch gelagert: Sie schwimmen sozusagen auf Öl. Die bewegten Massen, 400 Tonnen beim 3,5-m-Teleskop, lassen sich mit einer Genauigkeit von wenigen Bogensekunden auf die Himmelskörper ausrichten. (Eine Bogensekunde ist der Winkelabstand zwischen rechtem und linkem Rand eines Pfennigstücks in 3 km Entfernung!)

Es ist klar, daß so komplizierte und präzise Instrumente von elektronischen Rechnern gesteuert werden: Bei Handbetrieb ginge zu viel von der wertvollen Beobachtungszeit verloren. Die Gebäude, die die Teleskope beherbergen, haben zahlreiche Funktionen zu erfüllen und bilden mit den Teleskopen ein einheitliches Ganzes. Hier seien nur noch die Kuppeln erwähnt. Die halbkugelförmigen Stahlkonstruktionen (Durchmesser 31 m für das 3,5-m-Teleskop) wurden von der Firma DSD Dillinger Stahlbau GmbH gefertigt; sie sind voll drehbar, um durch eine möglichst kleine Spaltöffnung den Teleskopen in jeder Richtung den Blick ins All zu gewähren. Sie besitzen auch sehr spezielle thermische Eigenschaften: Es ist ihre Aufgabe, tagsüber, wenn sie geschlossen sind, auch bei vollem Sonnenschein im Kuppelraum die nächtliche Kühle zu erhalten. Damit können thermische Verformungen in den optischen und mechanischen Teilen der Teleskope fast gänzlich vermieden werden.

Die Instrumentierung auf dem Königstuhl

Entwicklung

Zum Beispiel: MAGIC

Die in den achtziger Jahren entwickelten CCD-Kameras verhalfen der optischen Astronomie zu entscheidenden Durchbrüchen. Während zuvor das am Ausgang des Teleskops erzeugte Bild einer Himmelsgegend meist auf einer photographischen Emulsion registriert wurde, kam nun das CCD (Charge Coupled Device) zum Einsatz, ein wenige cm großes Plättchen, dessen lichtempfindliche Fläche aus bis zu einigen 1000x1000 winzigen Siliziumdioden besteht. Das auftreffende Licht erzeugt in jeder Diode eine seiner Intensität proportionale elektrische Ladung: Dem optischen Bild entspricht ein Ladungsbild, das sich elektronisch auslesen und direkt im Computer auswerten läßt. Die Vorteile sind: Hohe Quantenausbeute (etwa 60 %; Photoemulsion: weniger als 1 %), Linearität und hoher dynamischer Bereich (1:1000; Photoemulsion: 1:30).

Neuerdings sind sogar für infrarotes Licht empfindliche, hochauflösende CCD's verfügbar. Eine der ersten Kameras, die solche Detektoren nutzen, ist die in unserem Institut entwickelte MAGIC (MPI for Astronomy General Purpose Infrared Camera). Sie ist zur Untersuchung von Sternentstehungsgebieten und von extrem fernen, jungen Galaxien optimal geeignet.

Rechenanlagen

An der Rechenanlage in seinem Heimatinstitut wird der Beobachter dann die am Teleskop einer Rohauswertung unterzogenen, in digitaler Form mitgebrachten Daten endgültig auswerten. Dabei geht es zunächst darum, alle etwa durch die †berlagerung mit Strahlung anderer Quellen oder durch die unvollkommene Transparenz der Erdatmosphäre bedingten Störungen zu beseitigen. Schließlich wird der physikalische Inhalt der Messungen herausgearbeitet.

Feinwerktechnik und Elektronik

Ein weiteres großes Projekt unserer Werkstätten war die Planung und der Bau des 70-cm-Teleskops für das Astrolabor auf dem Königstuhl. An diesem Teleskop werden die neu entwickelten Meßinstrumente geprüft, bevor sie auf dem Calar Alto zum Einsatz gelangen.

Extraterrestrische Forschung

Ab 1977 war das MPIA am Projekt GIRL (German InfraRed Laboratory) beteiligt: ein vollständig mit flüssigem Helium (-271 &176;C) gekühltes Teleskop sollte, als Nutzlast des ameri;anischen Weltraumlabors Spacelab, erstmals den Infrarothimmel eingehend untersuchen. Wegen explodierender Kosten der Shuttle-Flüge wurde das weit fortgeschrittene Projekt zwar 1985 abgebrochen, aber die während Planung und Aufbau des GIRL gesammelten Erfahrungen flossen in das ISO Projekt (Infrared Satellite Observatory) ein. ISO ist das bisher größte wissenschaftliche Weltraumprojekt der ESA. Das mit flüssigem Helium gekühlte 60-cm-Teleskop wird nach seinem Start im Jahr 1995 auf einer Ariane 44P etwa 600 Tage lang in seiner Umlaufbahn um die Erde funktionsfähig bleiben und, vom Erdboden aus gesteuert, vier verschiedene Meßanordnungen speisen. Die Verantwortung für eine davon, das Infrarotphotometer ISOPHOT, liegt bei unserem Institut. Zusätzlich sind zwei weitere MPI's und fünf andere Institute aus dem In- und Ausland daran beteiligt.

Wenn alles klappt, wird ISO während seines kurzen, aber optimal genutzten Lebens Tausende von Beobachtungsprogrammen bewältigen; dabei geht es um interplanetaren Staub und Kometen, interstellare Materie und Sternentstehungsgebiete, Eigenschaften naher und ferner Galaxien und Quasare und sogar um die Hintergrundstrahlung kosmologischen Ursprungs. Astronomen aus aller Welt werden an dieser Ernte beteiligt sein.

Das Observatorium

Die Bauarbeiten begannen 1973: Die spanische Seite stellte das Gelände und sorgte für seine Erschließung (30 km Zufahrtstraße, Wasser- und Stromversorgung). Die MPG übernahm den Bau der Teleskopgebäude, der 2,2-m- und 3,5-m-Teleskope, eines Auswertungsgebäudes mit Arbeitsräumen und Werkstätten, eines Betriebshofes und der Wohnhäuser. Das gesamte Investitionsvolumen liegt bei rund 250 Millionen DM, die laufenden Betriebskosten trägt das MPIA. Das Observatorio de Madrid betreibt zusätzlich ein eigenes 1,5-m-Teleskop auf dem Berg.

Die ständige Mannschaft auf dem Calar Alto zählt nach Abschluß der Bauarbeiten etwa 40 Mitarbeiter, die für den Betrieb des Observatoriums verantwortlich sind. Wer an einem der Teleskope beobachten will, ob deutscher, spanischer oder ausländischer Wissenschaftler, stellt einem unabhängigen Komitee seinen Antrag und bekommt eine feste Beobachtungsperiode zugewiesen (gewöhnlich einige Tage bis Wochen), die er als Gast auf dem Calar Alto verbringt. Vorbereitung und Auswertung geschehen in den Heimatinstituten der Beobachter.

Die Teleskope auf dem Calar Alto

Der Wunsch der Astronomen, über möglichst große, lichtstarke Teleskope zu verfügen, ist nicht leicht zu erfüllen. Andererseits gibt es im weiten Feld der empirischen Astronomie genügend Bereiche, deren Erforschung nicht unbedingt den Einsatz allergrößter Instrumente verlangt: Das erklärt die Vielfalt der Teleskope, die auf dem Calar Alto stehen. Ihre Leistungsfähigkeit wird auch nicht allein durch die Öffnung bestimmt: Bei Nutzung der von der modernen Technik gebotenen Möglichkeiten für Teleskopsysteme und Zusatzinstrumente kann heute z. B. ein Gerät der 2-m-Klasse zu Beobachtungsaufgaben vorstoßen, die bis vor kurzem dem exklusiven Klub der Großinstrumente von 3,5 m Öffnung und mehr vorbehalten waren.

Das 1,2-m-Teleskop

Das 2,2-m-Teleskop

Das 3,5-m-Teleskop

Der Schmidt-Spiegel

Das spanische 1,5-m-Teleskop

Astronomie und Astrophysik

Für den Laien besonders befremdlich sind die Zeiten und Räume, von denen der Astrophysiker spricht: Sterne leben Millionen bis Milliarden von Jahren, Entfernungen werden in ähnlich vielen Lichtjahren gemessen. In der Tat entziehen sich diese Größen auch für den Astronomen der direkten Erfahrung. So wird z. B. das zeitliche Nacheinander in der Sternentwicklung aus dem Studium vieler einzelner Objekte in verschiedenen Entwicklungszuständen Qunger und alter Sterne) erschlossen. Und die räumliche "Tiefe" des Himmels kann man ermessen, wenn man bedenkt, daß manche Sterne, die wir nachts auch am größten Fernrohr nur mit Mühe erkennen, in Wahrheit viel heller strahlen als die Sonne, unser nächster und vertrautester Stern.

Sternentstehung in der Milchstraße

Das weißliche Band der Milchstraße ist am trüben Himmel der Großstädte gänzlich unsichtbar geworden: Auf dem Calar Alto bietet es schon dem unbewaffneten Auge ein glänzendes Schauspiel. Das Bild der Milchstraße entsteht aus der †berlagerung aller fernen Sterne unseres Sternsystems, der Galaxie zu der wir gehören. All diese Sterne sind, zusammen mit der Sonne, in einer flachen Scheibe angeordnet: Schauen wir in Richtung dieser Scheibe, so erscheint sie uns als das Milchstraßenband. Im Teleskop löst sich die Milchstraße auf in eine Unzahl einzelner Sterne. Diese bilden einen vielfältigen Zoo: Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Größe, Helligkeit, Temperatur und Lebenserwartung nicht weniger, als es etwa Mücken und Elefanten in den für sie typischen Merkmalen tun. Die Astronomen fassen sie in verschiedene Sternpopulationen zusammen. Im Teleskop sind neben den Sternen noch weitere Strukturelemente erkennbar: Ausgedehnte, dunkle Wolken aus kühlem Staub und heiße, leuchtende Gaswolken bilden die Interstellare Materie, die 10 Prozent der Masse unserer Galaxie enthält. Die Sterne des Systems entstehen aus dieser Interstellaren Materie, und geben im Laufe ihres Lebens wieder Masse an sie ab. Wegen all dieser ständig ablaufenden Prozesse bleibt sich das Milchstraßensystem nicht gleich: Es hat selbst ein endliches Alter und macht eine Entwicklung durch. Zum Verständnis dieser Entwicklung muß der gegenwärtige räumliche Aufbau des Milchstraßensystems, seine absolute Größe und die relative Lage der verschiedenen Sternpopulationen und der Gebiete dichter Interstellarer Materie bekannt sein. Die Ableitung eines solchen räumlichen Modells unserer Galaxie aus den Beobachtungen, und das Studium der galaktischen Entwicklung gehören zu den am MPIA intensiv bearbeiteten Forschungsaufgaben .

Eingebettet in die dichtesten Wolken aus Staub und leuchttendem Gas finden wir Sterne, die so hell strahlen, daß sie innerhalb weniger Millionen Jahre ihre Energie verbraucht haben werden. (Zum Vergleich: Die Sonne ist bereits vier Milliarden Jahre alt, also tausendmal älter!) Diese kurzlebiggen Sterne müssen also gerade entstanden sein, und zwar aus Verdichtungen jener Interstellaren Materie, die sie jetzt noch wie ein Mutterkuchen umgibt. Sternentstehung ist demnach ein in unserer Galaxie ständig ablaufender Prozeß: Er spielt sich meist im Verborgenen, hinter dichten Staubwolken ab. Dabei durchlaufen die jüngsten Sterne Stadien energischer Aktivität, in denen es zu spektakulären bipolaren Massenausströmungen kommt. Die Objekte sind kalt und strahlen vorwiegend im Infraroten; zudem sind die umgebenden Staubwolken für Infrarotstrahlung viel durchlässig ger als für sichtbares Licht. Daher spielen moderne Infrarotkameras, wie sie auf dem Calar Alto eingesetzt werden, für das Studium der Sternentstehung eine entscheidende Rolle. Mit den verfügbaren Spektrographen wird das Emissionslinienspektrum des Interstellaren Gases registriert: Daraus lassen sich die Zustandsgrößen des Gases (Termperatur, Dichte, chemische Zusammensetzung, Bewegungszustand) ableiten.

Galaxien

Aber wie die einzelnen Sterne, so treten auch die Galaxien in mannigfaltigen Erscheinungsformen auf: Neben den Spiralgalaxien gibt es Elliptische, Sphärische, Irreguläre, Riesen, Zwerge, Wechselwirkende, Explodierende; sie kommen einzeln vor, oder in Haufen ... Die Vielzahl der Formen und Schicksale scheint endlos zu sein.

Bei aller Viefalt der Galaxien waltet im Kosmos eine erstaunliche Ordnung: Im Jahre 1929 entdeckte Edwin Hubble sein berühmtes Gesetz, wonach alle Galaxien sich gleichmäßig voneinander entfernen, und zwar um so schneller, je weiter entfernt voneinander sie sind. Diese Expansion des Universums und ihr zeitlicher Ablauf ist Gegenstand der modernen Kosmologie, also der Wissenschaft von der Welt als Ganzes. Verfolgen wir in Gedanken diese Expansion zurück in die Vergangenheit, so erscheint sie uns als ständige Verdichtung aller Materie im Raum. Zu dem Zeitpunkt, als die Dichte der Materie "unendlich" war, müssen wir uns den Anfang der Welt denken, zumindest jener Welt, die wir heute beobachten können. Dieser Anfang, der "Urknall", liegt nach unserem Wissen etwa 20 Milliarden Jahre zurück; wenig später haben sich die Galaxien gebildet.

Die Frage ist nun: Wird die Expansion ewig dauern, oder wird sie einmal zur Ruhe kommen, und sich dann in eine Kontraktion umkehren, in einen Kollaps, der zu neuer Verdichtung führt? Die Antwort liegt bereits heute innerhalb der Reichweite unserer größten Teleskope. Wir müssen dazu bestimmen, wie die Materie im Universum verteilt ist, und zwar bis in die größten Entfernungen hinaus und bis in die weiteste Vergangenheit zurück: Die entferntesten uns bekannten Objekte, die rätselhaften Quasare, haben das Licht, das heute unser Fernrohr erreicht, vor mehreren Milliarden Jahren entsandt. An der Bestimmung ihrer Natur, an der Frage, wie in den Quasaren derart ungeheure Energiemengen in Strahlung umgesetzt werden können, werden sich noch manche Astronomen unter Einsatz aller auf dem Calar Alto verfügbaren Mittel versuchen.