Am Abend des 12. Dezember 2021 hatten die Cornell-Astronomen Gordon Stacey und Thomas Nikola gefährlich wenig Zeit. Sie waren seit fast 24 Stunden wach und hatten eine weitere Nachtschicht vor sich.
Die Haut ihrer Hände war vom fünfwöchigen Leben in schwindelerregender Höhe in der chilenischen Atacama-Wüste ausgetrocknet und aufgesprungen. Und sie waren unterbesetzt, eine Besatzung von zwei statt der üblichen vier oder fünf Atacama Pathfinder-Experiment (APEX)-Teleskopkontrollraum.
COVID-19-Beschränkungen, Reiseverzögerungen und schlechtes Wetter hatten sich aufeinander abgestimmt, sodass sie und ein Cornell-Team, das von Ithaka aus fernarbeitete, nur noch 12 Stunden Zeit hatten, um Daten von ihren Zielgalaxien zu sammeln: Licht, das 11,5 Milliarden Jahre gebraucht hatte, um die Erde zu erreichen.
„Wir betrachten die Sternentstehung im Laufe der kosmischen Zeit“, sagte Stacey, Professorin für Astronomie am College of Arts and Sciences. „Das steckt hinter allem, was wir tun.“
Seit mehr als 30 Jahren leitet Stacey Forschungsteams, die Teleskope weltweit einsetzen, um etwas über die Entwicklung von Sternen zu lernen. Vor einigen Jahren bestätigte Stacey zum Beispiel, dass einige der leuchtkräftigsten Galaxien nicht durch Kollisionen entstehen, sondern durch die Ansammlung von Material aus dem kosmischen Netz. Solche Entdeckungen führen zu mehr Zeit an Teleskopen und weiteren Entdeckungen. Heute Abend versuchten sie, noch mehr zu lernen – aber das Zeitfenster schloss sich.
In einer Pause zwischen den Beobachtungen unterhielt sich Stacey über Zoom mit dem Ithaca-Team. Er findet die Arbeit des Beobachtens anregend genug, um ihn wach zu halten, und er war für den Rest der Nacht gut gerüstet.
Aber Nikola, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science und Leiter der Logistik auf dieser Reise, wanderte durch den Kontrollraum, um wach zu bleiben.
Er ging von Monitor zu Monitor und überprüfte die Wetterbedingungen sowie den Beobachtungsmodus und die Parameter des Teleskops. Das Überprüfen der Zahlen hält ihn wachsam – und erlaubt ihm ab und zu, einen Fehler zu entdecken, der den Unterschied zwischen einer Entdeckung und dem Sammeln fehlerhafter Daten ausmachen kann.
Nach Tagen mit feuchten oder bewölkten Bedingungen – selbst eine kleine Menge Feuchtigkeit in der Atmosphäre ist schlecht für die Beobachtung – war der Himmel über APEX vollkommen klar und sehr trocken. Auf der Suche nach zwei Galaxien, die nur zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall entstanden sind, richteten die Teammitglieder ihre Aufmerksamkeit wieder auf den Himmel. Würden sie die Emissionslinie ihres Ziels erkennen, bevor ihre Zeit abgelaufen war?
Reichlich Elemente aus „kosmischem Mittag“
Stacey und seine Kollegen untersuchen Emissionen von Galaxien in der Epoche, die als „kosmischer Mittag“ vor 8 bis 12 Milliarden Jahren bekannt ist, mit ZEUS-2, einem Spektrometer von der Größe und Form eines Ölfasses, das in Cornell speziell angefertigt wurde.
„Wir betrachten feine Strukturlinien von reichlich vorhandenen Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Stickstoffatomen und -ionen“, sagte Stacey. „Das sind nach Helium und Wasserstoff die dritt-, viert- und siebthäufigsten Elemente im Universum, und sie sagen uns viel aus.“
Durch die Messung, wie reichlich diese Grundelemente in Sternen vorhanden waren, die relativ kurz nach dem Urknall geboren wurden, lernt das Team, wie sich Sterne in Galaxien bilden, wie sich Galaxien entwickeln und wie sich Sterne, die während dieses fernen „kosmischen Mittags“ geboren wurden, mit unserem eigenen jüngeren Stern vergleichen , die Sonne, die nur 4,6 Milliarden Jahre alt ist.
Ziel der Reise war es, ZEUS-2 am APEX-Teleskop zu installieren und dann eine Spektrallinie von doppelt ionisiertem Sauerstoff (O++) aus fernen Galaxien zu messen. O++, für dessen Bildung sehr energiereiche ultraviolette Photonen erforderlich sind, weist auf das Vorhandensein heißer, massereicher Sterne hin und hilft den Forschern, sowohl die Entstehung von Sternen als auch die Entstehung von Sauerstoff durch Generationen von Sternen in Galaxien im frühen Universum zu verfolgen.
Bevor 11 Milliarden Jahre altes Licht ZEUS-2 erreichen konnte, musste ZEUS-2 jedoch APEX erreichen.
Das Teleskop befindet sich über 16.700 Fuß Höhe, etwa 2.200 Fuß höher als Mount Whitney, der höchste Punkt in den kontinentalen USA; Selbst in den besten Zeiten ist es eine Herausforderung, dort ein Instrument zu installieren. Als Stacey und Nikola am 16. November im APEX-Basislager auf 8.000 Fuß in San Pedro de Atacama ankamen, durften sie nur wenige Stunden arbeiten, damit sie sich an den begrenzten Sauerstoff gewöhnen konnten. Am nächsten Tag begannen sie mit der Arbeit am Teleskopstandort und installierten ZEUS-2 auf APEX.
Nachdem Nikola und Stacey ZEUS-2 am 29. November zum Laufen gebracht hatten, arbeiteten die Doktoranden Christopher Rooney, Catherine Ball und Bo Peng unermüdlich daran, das Instrument zu testen, zu kalibrieren und zu beobachten. „Lange Zoom-Meetings mit Online-Kollaborationstools haben es uns ermöglicht, diesen ‚Hybrid‘-Beobachtungslauf durchzuführen, der ansonsten von einem vier- oder fünfköpfigen Team am Teleskop unterstützt wird“, sagte Amit Vishwas, Ph.D., Research Associate, ehemaliger ZEUS-2-Doktorand und Mitglied des Teams, das virtuell von Ithaka aus arbeitet.
Klarer Himmel und ein Geschenk an Zeit
Die erste Nacht, der 1. Dezember, war trocken genug für Beobachtungen. „Wir haben etwas Wissenschaft in der Tasche, ungefähr vier Stunden lang haben wir zwei verschiedene Quellen beobachtet“, sagte Stacey.
Aber bei APEX reicht schon eine geringe Feuchtigkeit in der Atmosphäre aus, um Beobachtungen zu bewölken.
Die Definition von gutem Beobachtungswetter, sagte Rooney, der ZEUS-2 während der Beobachtungen von Ithaca aus betrieb, bedeutet, dass man das gesamte Wasser in der gesamten Atmosphäre vom Boden bis zum Weltraum addiert und es dann verwendet, um eine Schicht zu bilden Wasser auf dem Boden, sollte es weniger als 1 Millimeter tief sein. Sehr gutes Wetter ist weniger als einen halben Millimeter.
Für den Rest ihrer offiziellen Beobachtungszeit bis zum 7. Dezember blieb die Atmosphäre hartnäckig feucht, obwohl die Forscher in Chile jeden Tag drei oder mehr Liter Wasser tranken, um hydriert zu bleiben. Das Team fragte sich, ob der Himmel jemals klar genug sein würde, damit ZEUS-2 mehr Daten sammeln könnte. Während sie warteten, führten Stacey und Nikola mit dem Team in Ithaka Beobachtungsübungen durch. Sie überprüften und überprüften auch ZEUS-2 – eine nützliche Übung, sagte Stacey, aber eine, die keine neuen Daten einbringt.
Am 7. Dezember begann der Beobachtungslauf wie eine Wäsche auszusehen. Am nächsten Tag mussten sie das Teleskop verlassen, um Platz für das nächste Forscherteam zu machen, das bereits im Basislager eingetroffen war.
Dieses Team wurde von Staceys gelegentlichem Co-Autor Carlos De Breuck, Projektwissenschaftler bei der Europäischen Südsternwarte, geleitet. Als De Breuck und sein Team mit den Cornell-Astronomen im Kontrollraum und in der Cafeteria des Basislagers plauderten, wurde ihnen klar, welches schreckliche Glück Stacey und Nikola hatten. De Breuck bot ihnen großzügigerweise einen Teil der Zeit seines Teams am Teleskop an – einschließlich einer entscheidenden letzten Nacht, dem 12. und 13. Dezember.
„Ich war fassungslos – und sehr erfreut“, sagte Stacey. „Es war gut von ihnen.“ Die Uhrzeit wird De Breuck zu einem späteren Zeitpunkt mitgeteilt.
Am 12. und 13. Dezember richtete das Team bei klarem Himmel über Atacama und tadelloser Leistung von Teleskop und ZEUS-2 das Teleskop auf ihre Ziele: zwei Galaxien mit großer Masse und hoher Leuchtkraft. Stacey sagte, dass diese Galaxien während der „Epoche der Galaxienversammlung“ existierten, kurz vor dem Höhepunkt der Sternentstehung im Universum.
Das Team entdeckte eine unerwartet schwache Emission der O++-Linie von beiden Galaxien, was darauf hindeutet, dass die Sternentstehung dort eher durch Kollisionen zwischen den beiden Galaxien ausgelöst wird als durch Akkretion von Gas aus dem kosmischen Netz. Genau wegen dieser Daten waren sie nach Chile gekommen.
Die letzten Tage ihrer APEX-Forschung vergingen in einem Nebel aus intensiver Konzentration und wenig Schlaf. Das Team in Ithaka sammelte weiter Daten, selbst als die Sonne am 13. Dezember aufging und Stacey und Nikola die 90-minütige Fahrt die Bergstraße hinauf zum Gipfel zurücklegten, um ZEUS-2 einzupacken.
„Sobald sie die letzte Beobachtung und Kalibrierung durchgeführt hatten, begannen wir mit der Demontage“, sagte Nikola.
Normalerweise dauert es fünf bis sieben Tage, um ZEUS-2 herunterzufahren. Diesmal hatten sie nur 36 Stunden Zeit.
Während sie zusammenpackten, erhielt Stacey einen Anruf vom Leiter der APEX-Station: „Ich habe gehört, ihr habt letzte Nacht nicht geschlafen“, sagte er.
Stacey hielt einen Moment inne, dachte an die Fahrt die steile Bergstraße hinauf nach einer schlaflosen Nacht der Beobachtung und gestand: „Ja.“
„Das ist nicht sicher“, sagte der Manager. „Ich schicke jemanden, der Sie hinunterfährt.“
Stacey dachte eine Mikrosekunde lang darüber nach. „Danke“, sagte er. Er und Nikola hatten den kritischen Schritt des Absteigens von ZEUS-2 von APEX sicher abgeschlossen, und es hatte keinen Sinn, das Risiko einzugehen, auf der Fahrt nach unten einzuschlafen.
Mit der Unterstützung des APEX-Personals lagerten die Cornell-Forscher ihr Instrument bei APEX, vollständig zusammengebaut und in Plastik eingewickelt, um den feinen, wehenden Sand von Atacama fernzuhalten, und traten ihre lange Rückkehr nach Ithaka an.
ZEUS-2 wird nicht lange untätig sein. Die Astronomen haben ihre Daten vom Dezember analysiert und sich um mehr Beobachtungszeit an verschiedenen Teleskopen auf der ganzen Welt beworben. Neben anderen bevorstehenden Beobachtungen wird Staceys Gruppe diesen Sommer zu APEX zurückkehren.
„Dieser Lauf war ein Abenteuer“, sagte Stacey, „einer der schwierigsten Beobachtungsläufe, die wir je durchgeführt haben.“