Am 21. August 1972 um 6:28 Uhr EDT erleuchtete der Copernicus-Satellit der NASA, das schwerste und komplexeste Weltraumteleskop seiner Zeit, den Himmel, als er vom Launch Complex 36B der heutigen Cape Canaveral Space Force Station in die Umlaufbahn aufstieg , Florida.
Ursprünglich als Orbiting Astronomical Observatory (OAO) C bekannt, wurde es nach damaliger Mode einmal im Orbit zu OAO 3. Zu Ehren des 500. Geburtstags von Nikolaus Kopernikus (1473–1543) wurde es aber auch umbenannt. Der polnische Astronom formulierte ein Modell des Sonnensystems mit der Sonne im Mittelpunkt anstelle der Erde, brach damit mit einer 1.300-jährigen Tradition und löste eine wissenschaftliche Revolution aus.
Ausgestattet mit dem größten Ultraviolett-Teleskop, das zu dieser Zeit je umkreist wurde, sowie vier parallel ausgerichteten Röntgeninstrumenten war Copernicus wohl das erste dedizierte Mehrwellenlängen-Astronomie-Observatorium der NASA. Dies macht es zu einem Vorläufer des Betriebs von Satelliten wie dem Neil Gehrels Swift Observatory der NASA, das den Himmel im sichtbaren, ultravioletten und Röntgenlicht beobachtet.
„Die beiden Raumfahrzeuge teilen auch institutionelle Verbindungen“, bemerkt Swift Principal Investigator S. Bradley Cenko vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Goddard leitete beide Missionen, und das Röntgenexperiment an Copernicus wurde vom Mullard Space Science Laboratory am University College London bereitgestellt, das auch Swifts Ultraviolet/Optical Telescope beisteuerte.“
Zu lernen, ein umlaufendes Teleskop lange genug auf einen Stern zu richten und zu halten, damit die Detektoren sein Licht einfangen können, erwies sich als viel schwieriger als erwartet. Satelliten, die damals zur Erforschung der Sonne entwickelt wurden, hatten einen eingebauten Vorteil – sie zielten auf das hellste Objekt des Sonnensystems. Copernicus flog mit einer neuen Trägheitsreferenzeinheit (IRU), die vom Massachusetts Institute of Technology entwickelt wurde. Gyroskope in der IRU beschleunigten den Prozess der Zielerfassung, während andere Systeme den Satelliten fixiert hielten. In einer Studie über die ersten 500 Tage der Mission fasste ein Ingenieur zusammen, indem er feststellte, dass die IRU das Fliegen von Copernicus „zu einer langweiligen Operation“ gemacht habe.
In den frühen Tagen der NASA betonten Astronomen die Notwendigkeit von Ultraviolett (UV)-Studien, die nicht vom Boden aus durchgeführt werden konnten, und dies wurde zum Hauptschwerpunkt des OAO-Programms. Von vier gestarteten Satelliten versagte einer nach drei Tagen im Weltraum, und ein anderer erreichte die Umlaufbahn überhaupt nicht. OAO 2, das 1968 gestartet wurde und den Namen Stargazer trägt, lieferte jahrelange Beobachtungen, darunter Sternspektren mit niedriger Auflösung, die Wellenlängen ähnlich wie ein Regenbogen ausbreiten, um die UV-Fingerabdrücke bestimmter Moleküle und Atome zu enthüllen. Copernicus ging noch tiefer und erfasste Spektren mit bis zu 200-mal besserer Detailgenauigkeit bei einigen Wellenlängen.
„Diese Mission hat hochauflösende Spektren vieler Sterne im UV erhalten und Informationen bei den kürzesten Wellenlängen geliefert, die seit vielen Jahren erreicht werden“, schrieb Nancy Grace Roman, die erste Leiterin der Astronomie im Büro für Weltraumwissenschaft im NASA-Hauptquartier in Washington und Programmwissenschaftlerin für Copernicus. Während der Mission wurde Roman zu einer der treibenden Kräfte hinter dem Large Space Telescope-Projekt, das heute als Hubble Space Telescope der NASA bekannt ist. Sie ist auch die Namensgeberin des römischen Weltraumteleskops der NASA, das voraussichtlich in einigen Jahren abheben wird.
Das primäre Instrument an Bord von Copernicus war das Princeton Experiment Package, das UV-Licht mit einem 32-Zoll-Spiegel (0,8 Meter) einfing, der etwa ein Drittel so groß war wie der von Hubble. Unter der Leitung von Lyman Spitzer Jr. an der Princeton University in New Jersey produzierte das Instrument eine Fundgrube an Informationen über interstellares Gas und die ionisierten Ausflüsse heißer Sterne. Sein erstes Ziel, ein Stern namens Zeta Ophiuchi, der teilweise von einer interstellaren Wolke verhüllt ist, zeigte eine starke Absorption von Wasserstoffmolekülen. Messungen von Dutzenden anderer Sterne bestätigten eine Theorie, die vorhersagte, dass der größte Teil des Wasserstoffs in Gaswolken in dieser Form existierte.
1946 begann Spitzer mit Spekulationen über die Art der Wissenschaft, die mit einem großen umlaufenden Teleskop möglich sein könnte, und wurde später zum Katalysator für die Entwicklung von Hubble. Das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA, das von 2003 bis 2020 in Betrieb war und unter anderem die kalten Wolken erforschte, in denen Sterne geboren werden, wurde ihm zu Ehren benannt.
Zu der Zeit, als die NASA Instrumentenvorschläge für Copernicus erwog, war nur ein einziges Himmelsobjekt, die Sonne, dafür bekannt, Röntgenstrahlen auszusenden. Das änderte sich 1962. Mit neuen Röntgendetektoren auf einer suborbitalen Rakete entdeckte ein Forschungsteam unter der Leitung von Riccardo Giacconi von American Science and Engineering Inc., damals in Cambridge, Massachusetts, die erste Röntgenquelle jenseits des Sonnensystems, benannt Scorpius X-1. Zusätzliche Flüge deckten weitere kosmische Quellen auf, darunter Cygnus X-1, von dem lange vermutet wurde und jetzt bekannt ist, dass es ein Schwarzes Loch mit stellarer Masse beherbergt.
Mit diesem Durchbruch schlug Giaconni den ersten Satelliten vor, der sich der Kartierung des Röntgenhimmels widmet. Der 1970 gestartete und drei Jahre in Betrieb befindliche Uhuru-Satellit der NASA kartierte mehr als 300 Quellen, zeigte, dass viele Neutronensterne oder Schwarze Löcher sind, die durch Gasströme von Sternbegleitern angetrieben werden, und entdeckte Röntgenstrahlen des heißen Gases in Galaxienhaufen. Giaconni schlug dann leistungsstärkere Röntgensatelliten vor – das Einstein-Observatorium der NASA, das von 1978 bis 198 in Betrieb war, und das aktuelle Röntgen-Flaggschiff der NASA, das Chandra-Röntgen-Observatorium, das 1999 gestartet wurde.
Das Röntgenexperiment an Bord von Copernicus wurde von Robert Boyd am University College London geleitet, und die drei Röntgenteleskope standen vor großen Herausforderungen. Detektoren mit längerer Wellenlänge wurden von einer unerwartet hohen Hintergrundstrahlung überschwemmt. Es stellte sich heraus, dass es von einer riesigen kometenförmigen Wolke aus Wasserstoffatomen stammte, die die Erde umgibt, genannt The Geokorona, das fern-ultraviolettes Sonnenlicht streut. Spätere Instrumente fügten einen Filter hinzu, der darauf abgestimmt war, das UV zu absorbieren, aber Röntgenstrahlen durchzulassen.
Im Juni 1973 bemerkten Wissenschaftler von Goddard ein Problem mit einem Verschluss in den Röntgenteleskopen. Das Gerät wurde verwendet, um Röntgenstrahlen regelmäßig daran zu hindern, den Detektor zu erreichen, damit Wissenschaftler die sich ändernde Hintergrundstrahlung von geladenen Teilchen in verschiedenen Teilen der Umlaufbahn verfolgen konnten. Jetzt war sein Betrieb zögerlich geworden. Aus Sorge, dass der Verschluss dauerhaft in der geschlossenen Position bleiben könnte, hatte das Instrumententeam beschlossen, ihn nicht mehr zu verwenden. Aber ein letzter Befehl kam durch – und der klebrige Verschluss blieb geschlossen und blendete die Instrumente.
Ein vierter Detektor, der nicht an einem Teleskop befestigt war, arbeitete für die Dauer der Mission weiter. Dieser Röntgenzähler maß Strahlung von 1 bis 3 Angström über ein weites Sichtfeld – 2,5 mal 3,5 Grad, etwa das 40-fache der scheinbaren Fläche eines Vollmonds.
Das Röntgenexperiment entdeckte mehrere langperiodische Pulsare, darunter X Persei. Pulsare – normalerweise rotierende Neutronensterne – waren fünf Jahre vor dem Start von Copernicus entdeckt worden. Diese Objekte schwingen jedes Mal, wenn sie sich drehen, einen Strahlungsstrahl in unsere Richtung, normalerweise zehn- bis tausendmal pro Sekunde. Seltsamerweise benötigt der X Persei-Pulsar gemächliche 14 Minuten pro Drehung.
Copernicus führte eine Langzeitüberwachung von Pulsaren und anderen hellen Quellen durch und beobachtete Nova Cygni 1975, eine Explosion auf dem Weißen Zwerg in einem engen Doppelsternsystem. Das Experiment entdeckte merkwürdige Einbrüche in der Röntgenabsorption bei Cygnus X-1, wahrscheinlich verursacht durch kühle, dichte Klumpen im Gas, das vom Stern wegfließt. Und der Satellit zeichnete unterschiedliche Röntgenstrahlen von der von schwarzen Löchern angetriebenen Galaxie Centaurus A auf, die etwa 12 Millionen Lichtjahre entfernt liegt.
Copernicus führte 8,5 Jahre lang UV- und Röntgenbeobachtungen durch, bevor er 1981 in den Ruhestand ging, und er umkreist noch heute die Erde. Es verließ die zentrale Bühne der Weltraumastronomie, als fortschrittlichere Observatorien auftauchten, insbesondere Einstein und der International Ultraviolet Explorer, der 1978 gestartet und fast 19 Jahre lang betrieben wurde. Copernicus-Beobachtungen erscheinen in mehr als 650 wissenschaftlichen Arbeiten. Seine Instrumente untersuchten rund 450 einzigartige Objekte, auf die mehr als 160 Ermittler in den Vereinigten Staaten und 13 anderen Ländern abzielten.