Ab heute wird die Erde einen Meteoritenschauer durchqueren. In der Astronomie ist das menschliche Auge jedoch ein sehr begrenztes Werkzeug. Immer leistungsfähigere Instrumente ermöglichen es uns jedoch, immer tiefer in den Kosmos und immer weiter in die Vergangenheit zu blicken und so neues Licht auf die Ursprünge des Universums zu werfen.
Heute können Wissenschaftler einen Exoplaneten beobachten, der seinen Stern umkreist, eine einzelne Galaxie und sogar das gesamte Universum. „Das Universum besteht eigentlich größtenteils aus leerem Raum“, sagt Jean-Paul Kneib, Professor am Labor für Astrophysik der EPFL. „Es gibt nicht viel, was verborgen ist.“
Der Schlüssel liegt darin, zu wissen, wonach Sie suchen, das richtige Instrument zu bauen und in die richtige Richtung zu blicken. Und dann ein wenig Ordnung zu schaffen.
„Unsere Galaxie liegt im Vordergrund unseres Sichtfelds und blockiert den Blick darüber hinaus“, erklärt Kneib. „Wenn wir also beispielsweise Wasserstoff im frühen Universum kartieren wollen, müssen wir zunächst diesen gesamten Vordergrund modellieren und ihn dann aus unseren Bildern entfernen, bis wir ein Signal erhalten, das eine Million Mal kleiner ist als das von der Milchstraße ausgestrahlte.“
Galileo konnte nur das zeichnen, was er mit seinem Teleskop sah. Doch heute können Astronomen das gesamte Universum bis zu seinen Anfängen betrachten. Dies ist vor allem auf die rasche Weiterentwicklung der von ihnen verwendeten Instrumente zurückzuführen. Und in den kommenden Jahren werden weitere Entwicklungen erwartet.
Das im Dezember 2021 gestartete James Webb Space Telescope (JWST) soll Ereignisse beobachten, die sich vor 13 Milliarden Jahren zugetragen haben, als die ersten Sterne und Galaxien entstanden. Das Square Kilometre Array (SKA)-Radioteleskop – das sich derzeit im Bau befindet und bis Ende des Jahrzehnts fertiggestellt sein soll – wird noch weiter zurückblicken, in eine Zeit, als es noch keine Sterne gab und der Kosmos hauptsächlich aus Wasserstoff bestand – dem Element, aus dem 92 % aller Atome im Universum bestehen.
„Eine einfache Möglichkeit, dieses Gas zu erkennen, besteht darin, im Radiofrequenzbereich zu arbeiten, und genau das wird das SKA tun“, sagt Kneib. „Das Ziel ist, ein Signal zu erkennen, das eine Million Mal kleiner ist als die Vordergrundsignale.“
Ein weiteres geplantes Projekt ist die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Der Start ist für 2035 geplant. Die Antenne soll Gravitationswellen beobachten und so Aufschluss über das Wachstum schwarzer Löcher und möglicherweise auch über die Wellen geben, die unmittelbar nach dem Urknall entstanden sind.
Digitale Aufholjagd
Diese neuen Instrumente wären ohne Fortschritte in anderen Bereichen nicht so aufschlussreich. „Derzeit verfügen wir nicht über die Software, um die Daten des SKA zu verarbeiten“, sagt Kneib, der zuversichtlich ist, dass wir dank der Fortschritte in der Computer- und Informatik, der künstlichen Intelligenz (KI) und der Rechenleistung irgendwann dorthin gelangen werden. KI ist von unschätzbarem Wert, um riesige Datenmengen zu sortieren, um eine interessante Anomalie zu finden, und um beispielsweise die Masse von Galaxien zu berechnen.
„Wissenschaftler können den Gravitationslinseneffekt, bei dem ein großes Objekt das Licht einer entfernten Quelle krümmt, nutzen, um die Masse von Galaxienhaufen auf ein Prozent genau zu berechnen, als ob sie eine Waage verwenden würden“, erklärt Kneib. „Und wir können KI-Modelle darauf trainieren, Verzerrungen in Bildern zu erkennen, die durch Gravitationslinsen verursacht werden. Angesichts der Tatsache, dass es im Universum wahrscheinlich 200 Milliarden Galaxien gibt, ist das eine enorme Hilfe – selbst wenn wir nur die Masse von einer von tausend Galaxien messen können.“
Aber zeigen die Bilder, die wir sehen, was da draußen wirklich ist? Ein berühmtes Bild, das 2019 veröffentlicht wurde, zeigte einen donutförmigen Lichtring, der ein schwarzes Loch umgibt. Würden wir diesen Ring tatsächlich sehen, wenn wir uns ihm nähern würden?
„Es war kein optisches Foto“, sagt Kneib. „Es war eine rein digitale Darstellung. Um die Millimeterwellensignale, die das Schwarze Loch aussendet, genau beobachten zu können, mussten die Wissenschaftler mehrere erdgebundene Teleskope kombinieren, um eins zu schaffen, das ungefähr so groß wie die Erde ist. Das Bild wurde dann mittels Interferometrie rekonstruiert. [a measurement method using wave interference].
„Aber das Bild stellt dennoch ein reales Signal dar, das mit der Materiemenge in der Staubwolke zusammenhängt, die das Schwarze Loch umgibt. Vereinfacht ausgedrückt ist der dunkle Teil das Schwarze Loch und der hellere Teil die Materie, die es umkreist.“
Sehen in vier Dimensionen
„In der Astronomie sind Berechnungen nur ein Teil der Gleichung – man muss in der Lage sein, Dinge zu visualisieren. Das hilft einem auch dabei, zu überprüfen, ob die Berechnungen richtig sind“, sagt Kneib, der das majestätische Bild des 4.000 Lichtjahre entfernten Lagunennebels wie ein Buch lesen kann.
„Dieses Bild wurde mithilfe optischer Beobachtungen bei verschiedenen Wellenlängen erstellt, um die verschiedenen Gase darzustellen. Natürlich war ein wenig künstlerische Arbeit nötig, um die Farben zu verbessern. Aber das Bild hat auch für Physiker eine große Bedeutung. Die Farben zeigen die Anwesenheit verschiedener Gase an: Rot für Wasserstoff, Blau für Sauerstoff und Grün für Stickstoff. Die kompakten, schwarzen Bereiche enthalten große Mengen Staub. Dies sind typischerweise die Regionen, in denen Sterne entstehen.“
Die Visualisierung ist besonders wichtig, wenn man Objekte in mehr als zwei Dimensionen beobachtet. „Indem wir den Kosmos in drei Dimensionen untersuchen, können wir die Entfernung zwischen Himmelskörpern messen“, sagt Kneib.
Anfang April gaben Wissenschaftler des Projekts Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) – darunter Astrophysiker der EPFL – bekannt, dass sie die größte 3D-Karte der Galaxien und Quasare des Universums erstellt hätten.
Doch damit nicht genug: Forscher untersuchen das Universum auch in der vierten Dimension – der Zeit – und eröffnen damit unglaubliche Möglichkeiten zur Beobachtung heller, aber flüchtiger Phänomene. „Wir verstehen zum Beispiel den Ursprung der schnellen Radioblitze noch nicht wirklich. Das sind unglaublich helle Ausbrüche elektromagnetischer Strahlung, die höchstens ein paar Sekunden andauern, manchmal sogar nur den Bruchteil einer Millisekunde“, sagt Kneib.
Werden wir jemals Leben auf einem Exoplaneten finden? Kneib antwortet: „Mithilfe der Infrarot-Interferometrie besteht die durchaus realistische Aussicht, dass wir ein Foto von einem Planeten machen könnten, der einen anderen Stern umkreist. Das Bild wäre wahrscheinlich verschwommen, aber wir könnten Merkmale wie Wolken und strukturelle Veränderungen auf der Oberfläche des Planeten beobachten und charakterisieren. Das ist definitiv eine Möglichkeit, vielleicht in 20 oder 30 Jahren.“
Bei einigen fundamentalen Fragen werden wir die Antworten allerdings wahrscheinlich nicht allein durch bildgebende Verfahren finden. Warum dehnt sich das Universum immer schneller aus? Liegt es an der dunklen Energie? Warum sind 80 % der Materie unsichtbar? Liegen wir mit unserer Annahme der Schwerkraft völlig falsch? Zukünftige Generationen von Astrophysikern werden ihre Augen auf den Himmel gerichtet halten oder auf ihre Bildschirme starren, während sie versuchen, die tiefsten Geheimnisse unseres Universums zu entschlüsseln.