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Im Bilde

SOFIA und die Sternenforscher

Das Universum - undendliche Weiten. Die Milchstraße - das Zuhause von ein paar 100 Milliarden Sternen. Und immer wieder entstehen neue. Vor allem an den dunklen Stellen im Band der Milchstraße, das sich hier eindrucksvoll über den neuseeländischen Himmel spannt.

Für das menschliche Auge, das nur optische Informationen wahrnehmen kann, bleiben diese Spektakel jedoch unsichtbar. Für "Wesen", deren Augen im infraroten Bereich des Lichts empfindlich sind, werden sie sichtbar. In der Stratosphäre üner Neuseeland ist die Luftfeuchtigkeit im Winter minimal und damit der Blick ins infrarote Universum so frei wie an kaum einem anderen Ort auf dem Erdball. Deshalb sind die Sternengucker der Universität Stuttgart einmal im Jahr für mehrere Wochen "Down Under", um zu erforschen, wie genau Sterne entstehen. Die Plattform ihrer Wahl ist dabei die fliegende Sternwarte SOFIA. Die folgenden Bilder dokumentieren ihre Entstehung, technische und wissenschaftliche Meilensteine - und die Begeisterung, mit der die Forscher an und mit SOFIA arbeiten.

 

SOFIA, das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie, ist eine umgebaute Boeing 747SP mit einem 2,7-Meter-Teleskop an Bord. Diese weltweit einzigartige fliegende Sternwarte ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Das deutsche SOFIA Institut (DSI) betreut mit den amerikanischen Kolleginnen und Kollegen vor allem das Teleskop, aber auch drei der derzeit acht wissenschaftlichen Instrumente von SOFIA. Vor allem der Wasserdampf der Erdatmosphäre lässt infrarotes Licht nicht passieren, Instrumente können diese Strahlung aus dem Universum vom Erdboden aus nur eingeschränkt empfangen. Daher gehen Astronomen an Bord von SOFIA mehrmals wöchentlich in die Luft - genaugenommen in die Stratosphäre. Dort ist in der Höhe von etwa 13 Kilometer der Einfluss der Erdatmosphäre vernachlässigbar und damit der Weg frei für die Beobachtung kosmischer infraroter Strahlung. SOFIAs Heimatbasis ist das NASA Armstrong Flight Research Center in Palmdale, Kalifornien.

 

Der Rahmen des SOFIA-Teleskops besteht aus Kohlefaser-verstärktem Kunststoff. Er ist während der Beobachtungen bei geöffneter Tür zusammen mit den Teleskopspiegeln Temperaturen von etwa minus 50 Grad Celsius und einer Fluggeschwindigkeit von rund 800 Stundenkilometern mit entsprechenden Windlasten ausgesetzt.

 

Durch den sogenannten Nasmyth Tube - hier ist er noch im Rohbau zu sehen - gelangt das Licht vom Spiegelsystem des Teleskops durch das Druckschott auf die wissenschaftlichen Instrumente, die auf der Seite des Teleskops bzw. des Schotts befestigt sind, die sich in der bedruckten Passagierkabine befinden. Der Nasmyth Tube besteht aus Kohlefaser-verstärktem Kunststoff (CFRP) mit einer Wandstärke von nur 30 Millimetern. Die Fasern sind in verschiedenen Richtungen um eine Form gewickelt, um hohe Festigkeit und Belastbarkeit zu gewährleisten.

 

Damit die Teleskopaufhängung exakt in den Flugzeugrumpf eingebaut werden konnte, mussten zwei Kräne die etwa 9.300 Kilogramm schwere Last stabilisieren.

 

Das Herzstück des Teleskops ist sein etwa 750 Kilogramm schwerer Spiegel. Er besteht aus Zerodur, einer Glaskeramik, die ihre Form und Ausdehnung auch bei größten Temperaturunterschieden nicht ändert. Im Juni 2008 wurde der Spiegel zum ersten Mal mit Aluminium beschichtet, um ein optimales Reflexionsvermögen zu erhalten. Diese Aluminiumschicht ist nur 0,00015 Millimeter dick, ungefähr 1/300 der Dicke eines menschlichen Haares. Sie wiegt etwas mehr als 2 Gramm und damit nur ein Siebtel des Aluminiums, das in einer Getränkedose steckt. Hier ist zu sehen, wie zwei Mitglieder des Beschichtungsteams das Ergebnis am eigenen Spiegelbild überprüfen.

 

Im Frühjahr 2013 hat das SOFIA-Team das abbildende Ferninfrarot-Spektrometer FIFI-LS (Field-Imaging Far-Infrared Line Spectrometer) in Betrieb genommen. Unter Leitung von Prof. Alfred Krabbe haben Kollegen vom Institut für Raumfahrtsysteme das Instrument in Stuttgart auf den Einsatz in die Stratosphäre vorbereitet: Hier erwarten Alfred Krabbe, Felix Rebell, Leslie Looney (hintere Reihe, v. li.) sowie Sebastian Colditz, Bill Wohler und Christian Fischer (vorne, v. li.) an Bord von SOFIA mit Spannung die ersten Beobachtungsdaten. Mit FIFI-LS können Astronomen nicht nur die Entstehung von Sternen, sonder auch die Eigenschaften des interstellaren Mediums, also der Materie zwischen den Sternen, in unserer eigenen sowie in entfernten Galaxien erforschen.

 

Als 3D-Spektrometer nutzt FIFI-LS die kostbare Beobachtungszeit an Bord von SOFIA höchst effizient aus. Es nimmt nicht nur einfach Bilder auf, sondern detektiert zusätzlich - mithilfe eines höchst komplexen Spiegelsystems - für jeden Bildpunkt spektrale Informationen und ordnet so der aufgenommenen Strahlung eine Wellenlänge zu. Erst die Fülle der mit FIFI-LS gewonnenen Informationen ermöglicht es, spezielle physikalische Prozesse im Weltraum zu identifizieren und besser zu verstehen. Das Instrument arbeitet im ferninfraroten Wellenlängenbereich von zirka 45 bis 210 Mikrometer und kann unter anderem das interstellare Medium sowie Sternentstehungsgebiete in unserer Milchstraße oder benachbarten Galaxien untersuchen.

 

Sterne entstehen nie einzeln. Es sind immer gleich ein paar Hundert oder Tausend, die aus einer riesigen Wolke aus Gas und interstellarem Staub hervorgehen. Dieser Staub legt sich um die Sternentstehungsgebiete herum und verdunkelt den optischen Blick in die Aktivzentren unserer Galaxie. Wenn wir daher das Sternenbild Orion mit unseren Augen betrachten, bleibt uns eines der stärksten Sternentstehungsgebiete (M42) unserer Milchstraße komplett verborgen. Mit "Augen" jedoch, die im mittleren Infraroten empfindlich sind, wird es offenbar: Das an der Universität Stuttgart entwickelte Instrument FIFI-LS erlaubt es Astronomen, die Stärke der 146-Mikrometer-Linie des atomaren Sauerstoffs zu messen. Daraus können die Forscher nicht nur die Menge und räumliche Verteilung des Vorhandenen Sauerstoffs im Innern des Sternentstehungsgebietes abschätzen, sondern auch die Geschwindigkeiten, den Druck und die Temperatur des entsprechenden Gases.

 

Wenn Sterne wie unsere Sonne entstehen, dann immer in Zusammenhang mit einer Scheibe, aus der sich dann ein Planetensystem wie das unsere bilden kann. Ob das auch für Sterne funktioniert, die 20- oder 30-mal schwerer sind als die Sonne, war lange Zeit unklar. Ferninfrarotdaten von SOFIA - aufgenommen mit dem Stuttgarter Instrument FIFI-LS - haben in Kombination mit Beobachtungen anderer Observatorien eindeutig gezeigt, dass dies sehr wohl möglich ist. Massive Sterne können genau wie ihre masseärmeren Geschwister entstehen, indem sie zunächst Gas und Staub in einer Scheibe um sich herum ansammeln. Vom inneren Rand dieser Scheiben stürzt die Materie dann nach und nach auf den zentralen Stern. So gewinnt der junge Stern an Masse und die dabei freiwerdende Energie wird abgestrahlt. Dieser Massezuwachs findet jedoch nicht stetig, sondern in Form von Wachstumsschüben statt, die die Materie in den Sternscheiben nicht ebenmäßig verteilt ist, sondern in Klumpen. Wenn diese auf den Stern stürzen, verursachen sie dort - wie von FIFI-LS beobachtet - einen plötzlichen Helligkeitsanstieg.

 

Gelegentlich zieht ein Objekt aus unserem Sonnensystem vor einem weit entfernten Stern hinweg, bedeckt diesen für eine kurze Zeit und wirft einen Schatten auf die Erde. Leider fallen diese Schatten nur selten nachts dorthin, wo ein Observatorium ist. SOFIA kann ihren Standort flexibel anpassen und genau dort hinfliegen, wo dieser Schatten beobachtbar sein wird. Dann nämlich können Astronomen den bedeckten Stern als helle, weit entfernte Lampe „missbrauchen“, die die Atmosphäre des Schattenwerfers von hinten durchleuchtet. So geschehen bei der Plutobedeckung im Juni 2015 und beobachtet mit SOFIAs Focal Plane Imager Plus (SPI Plus), der vom DSI entwickelt wurde. Aus dem Abfall und Anstieg der Helligkeit am Anfang und Ende der Bedeckung können die Wissenschaftler wertvolle Schlüsse über die Struktur und Schichtung der Planetenatmosphäre ziehen. Stehen Stern, Planet und Beobachter bei der maximalen Bedeckung genau auf einer Linie, dann bündelt die durchleuchtete Atmosphäre das Sternenlicht wie eine fokussierende Linse und produziert den „Zentralen Flash“, der in den FPI+-Daten von 2015 deutlich zu sehen ist – ein Indiz dafür, dass die SOFIA-Piloten das Flugzeug tatsächlich zur rechten Zeit am rechten Ort platziert haben. Die feinen Strukturen in der Atmosphäre sind auch in dem Bild wiederzuerkennen, das die New-Horizons-Sonde zwei Wochen später – auf astronomischen Zeitskalen also gleichzeitig – aufgenommen hat.

 

SOFIA ist ein fliegendes Labor, und alle Komponenten müssen regelmäßig gewartet werden. Auch die wissenschaftlichen Instrumente, wie zum Beispiel FIFI-LS, werden fortwährend auf ihre Betriebsfähigkeit überprüft und von den Wissenschaftlern vor jedem neuen Einsatz an Bord der fliegenden Sternwarte auf die neue Mission vorbereitet. Damit die Detektoren von Infrarot-Instrumenten nicht nur die Wärmestrahlung ihrer Umgebung wahrnehmen, bedarf es der Kühlung: Hier füllt Ingenieur Christian Fischer vom DSI der Universität Stuttgart flüssiges Helium als Kühlmittel nach, damit das Ferninfrarotspektrometer für den anstehenden Systemcheck bereit ist.

 

Wie ein Auto muss auch ein Flugzeug regelmäßig zum TÜV, zum sogenannten D-Check. 2014 war es auch für SOFIA so weit. Sie ist eine verkürzte Version des Jumbo Jets undkann daher höher als ihr großer Bruder und somit bis in die Stratosphäre fliegen. Lufthansa Technik in Hamburg ist eineder wenigen Werften, die die Lizenz zur Wartung dieses Flugzeugtyps haben. SOFIA wurde auf Herz und Nierengeprüft. Hierbei wurden nicht nur alle Triebwerke demontiert, gewartet und in der Lärmschutzhalle im Einsatz getestet, sondern alle Strukturen auf mögliche Risse überprüft, die Cockpit-Elektronik durchgecheckt, Streben und Fenster bei Bedarf ausgetauscht oder erneuert. Nach fünf Monaten hat Lufthansa Technik der NASA, unter deren Flagge SOFIA offiziell fliegt, ein checkheftgeprüftes Flugzeug zurückgegeben, bereit für viele weitere Flüge in die Stratosphäre im Auftrag der Astronomie.

 

Nicht nur Studierende der Universität Stuttgart haben die Möglichkeit, an Bord von SOFIA mitzufliegen, um zum Beispiel Bachelor-, Master oder Doktorarbeiten anzufertigen. Im Rahmen eines einmaligen Bildungsprogramms können sich auch Lehrer aus dem gesamten Bundesgebiert für einen SOFIA-Mitflug bewerben. Die Idee dahinter ist es, die Lehrer mit Forschern und Technikern zu vernetzen und ihnen die Möglichkeit zu geben, Forschung leibhaftig mitzuerleben. Mit diesen authentischen Erfahrungen und einer breiten Themenpalette aus den Natur-und Ingenieurwissenschaften sollen sie ihre Schülerinnen und Schüler nachhaltig für diese Themen begeistern. Diese besondere Lehrerfortbildung, die es so kein zweites Mal in der deutschen Forschungslandschaft gibt, ist letztlich eine wirkungsvolle Investition in die Zukunft.