Astronomie

Radioteleskop ALMA: Zurück zum Anfang des Alls

66 Antennen bilden zusammen das Radioteleskop ALMA. Es soll Signale von den am weitesten entfernten Galaxien des Universums empfangen.

San Pedro de Atacama. Unseren Augen zeigt sich der Kosmos nur im sichtbaren Licht. Das reicht, um nachts die Pracht der Sterne zu bewundern, doch erst Teleskope öffnen uns Fenster zu den übrigen Spektralbereichen, zur ganzen Vielfalt der elektromagnetischen Strahlung aus dem All - von Infrarotlicht über Gammastrahlen bis zu Radiowellen. Letztere stammen von extrem kalten Gaswolken, in denen Sterne entstehen, und von einigen der ältesten und am weitesten entfernten Galaxien an der Grenze des sichtbaren Universums. Insofern dienen diese Signale als Boten, die von den Ursprüngen des Universums erzählen.

Mit den Antennen von Radioteleskopen, haushohen, schüsselartigen Instrumenten, können Astronomen kosmische Radiowellen auffangen und bündeln. Die weltweit größte Anlage dieser Art ist nun fertiggestellt worden, nach einer Planungsphase und Bauzeit von mehr als zehn Jahren. In der Hochebene von Chajnantor, mehr als 5000 Meter hoch in der chilenischen Atacamawüste gelegen, soll das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) Astronomen neue Erkenntnisse liefern. Das Gemeinschaftsprojekt von Forschern aus Europa, Nordamerika und Asien ist mit Kosten von mehr als einer Milliarde Euro das teuerste der bodengebundenen Astronomie.

ALMA besteht aus 66 Antennenschüsseln, die bis zu 16 Kilometer voneinander entfernt sein dürfen. Über Glasfaserkabel mit einer Zentrale verbunden, bilden sie zusammen ein gigantisches Zoomobjektiv. In der Zentrale arbeitet ein Supercomputer, der bis zu 17 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde durchführen kann. Er vergleicht permanent die schwachen Signale, die von den Antennen aufgefangen werden - und verrechnet diese Bilddaten dann zu einem Gesamtbild.

Wie kommt das Teleskop zu seinem sperrigen Namen und warum steht es ausgerechnet in der Atacamawüste? Himmelsobjekte senden je nach Temperatur elektromagnetische Strahlung in bestimmten Wellenlängen aus. Die Sonne verschickt vor allem sichtbares Licht; auch andere Sterne leuchten im sichtbaren sowie im nahen Infrarotbereich. Die warmen Gas- und Staubwolken zwischen den Sternen strahlen im fernen Infrarotbereich. In den kalten Gaswolken, in denen Sterne entstehen, und in einigen der ältesten Galaxien liegen die Temperaturen zwischen -220 und -260 Grad, nahe dem absoluten Nullpunkt. Diese Objekte senden Radiowellen im Millimeter- und Submillimeterbereich aus. ALMA erfasst Wellenlängen von 0,3 bis 9,6 Millimetern - Signale aus der Frühzeit des Kosmos vor mehr als zehn Milliarden Jahren.

Dieses kalte Universum werdeALMA mit "noch nie da gewesener Empfindlichkeit und Auflösung" erforschen, schwärmt die Europäische Südsternwarte (ESO), die das Projekt leitet. Die Auflösung bezeichnet, wie scharf ein Teleskop weit entfernte, nah beieinanderstehende Objekte darstellen kann. Je schlechter die Auflösung, desto verschwommener ist das Bild; je besser die Auflösung, desto deutlicher sind die Objekte getrennt sichtbar. ALMA erreicht bei einer Wellenlänge von 0,3 Millimetern eine Auflösung von 0,005 Bogensekunden - unsere Augen schaffen 60 Bogensekunden. Könnte ein Mensch auf dieser Frequenz sehen und so scharf wie ALMA, könnte er einen Stein mit acht Meter Durchmesser auf dem Mond erkennen - der 384.000 Kilometer entfernt ist.

Allerdings würde ALMA nicht an jedem Ort auf der Erde gleich gut Millimeter- und Submillimeterwellen empfangen, denn diese werden von Wasserdampf in der Atmosphäre geschluckt. Die Atacamawüste in Chile zählt zu den trockensten und hoch gelegensten Plätzen der Erde. Dort ist die Atmosphäre für die besagten Radiowellen durchlässig. Deshalb wählte die ESO diesen Ort für ALMA.

Schon in der abgespeckten Version, die seit 2011 in Betrieb war, hat ALMA etliche neue Erkenntnisse geliefert. So entdeckten die Teleskope in den Tiefen des Alls kleine, organische Zuckermoleküle. "Dieser Zucker ist ein Baustein für Leben", sagt Wolfgang Wild, der europäische ALMA-Projektleiter von der ESO. "Dann kann man spekulieren: Ist Leben im Weltall weit verbreitet?"

Weitere Neuigkeiten haben Forscher jetzt im Journal "Nature" und im "Astrophysical Journal" veröffentlicht. Demnach entstanden viele Sterne früher als gedacht. Die heftigsten Sternentstehungsausbrüche in der Geschichte des Universums, sogenannte Starbursts, ereigneten sich bereits vor etwa zwölf Milliarden Jahren. "Das ist nur zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall und eine Milliarde Jahre früher als angenommen", sagt der Leiter des Teams, Axel Weiß vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Während der Starbursts wandeln Galaxien gewaltige Mengen von Gas und Staub in neue Sterne um. Das geht tausendmal schneller als in normalen Galaxien. "In der Milchstraße entsteht pro Jahr eine neue Sonne, in diesen Galaxien sind es 1000 pro Jahr", sagte Weiß.

Zwei der beobachteten Galaxien seien die am weitesten entfernten Vertreter ihrer Art. Die von ihnen stammende, heute beobachtete Strahlung begann ihre Reise, als das Universum noch keine Milliarde Jahre alt war. In einer dieser Galaxien wiesen die Forscher Wasser nach. Dies sei das entfernteste Wasser im Universum, das bisher beobachtet wurde, so die Forscher. Moleküle wie Zucker und Wasser hinterlassen in elektromagnetischer Strahlung eine ganz bestimmte Signatur.

Während der Milliarden von Jahren, die ein Signal durchs All reist, ehe es die Erde erreicht, werden die Wellenlängen durch das Wachstum des Universums auseinandergezogen. Astronomen sprechen von einer kosmischen Rotverschiebung. Durch die Messung der rotverschobenen Wellenlängen können sie berechnen, wie lange die Strahlung unterwegs war, und dadurch jeder Galaxie ihren Platz in der Geschichte des Universums zuweisen.

Bei den bisherigen Entdeckungen waren erst 16 der 66 Radioschüsseln in Betrieb. "Da kann man sich ungefähr vorstellen, was ALMA in Zukunft noch leisten kann", sagte Weiß.