Hubble Weltraumteleskop (HST) kurze Einführung
 

Bei der Erforschung des Sonnensystems haben Raumsonden hervorragende Arbeit geleistet, bei der Untersuchung des Universums ist man hingegen vollständig auf Teleskope angewiesen (für Licht- Radio- Röntgenstrahlung). Ein Teleskop auf der Erde wird selbst in guter Lage auf hohen Bergen, in abgelegenen Gebieten, immer noch sehr stark durch die Erdatmosphäre und andere irdische Störquellen behindert. Wunschtraum aller Astronomen waren daher schon immer Teleskope im Weltraum! (Bilder: NASA).

Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich dadurch, dass auch der Teil der Strahlung, der sonst in der Erdatmosphäre verloren geht, erfasst werden kann. Ebenfalls vorteilhaft ist es, dass man die störenden Effekte umgehen kann, die sich durch künstliche Störquellen bzw. durch die Strahlungen geladener Teilchen in der Ionosphäre (Sonnenwind) ergeben. Extrem wichtig ist auch für viele optische Anwendungen das vollständige Fehlen von Luftunruhe. So können absolut am theoretischen Limit liegende, scharfe Bilder aufgenommen werden. Die interessantesten Ergebnisse brachte das Hubble- Teleskop. Obwohl es mit 2,40m Spiegeldurchmesser eher klein ist, leistete es bei der Erforschung des Universums mehr, als alle großen irdischen Teleskope seiner Zeit, und hat unzählige geradezu sensationelle Bilder zur Erde gefunkt.                     

Einen Leistungsvergleich zu einem erdgebundenen Teleskop zeigt das Bild des Adlernebels (NASA). Oben rechts ist dort ein mit einem erdgebundenen Teleskop mittlerer Leistung erstelltes Bild eingefügt. Viel deutlicher und größer zeigt das Hubble-Bild die säulenförmigen Dunkelwolken, deren Material von dem intensiven Licht junger, heller Sterne (nicht im Bild sichtbar) teilweise "verdampft" und teilweise weggeblasen wird. Im Schatten dichterer Materieansammlungen (Globulen) bleibt der Staub geschützt, so dass sich "Finger"  bilden, die besonders deutlich aus der linken Dunkelwolke herausragen! Waren die mit rotempfindlichen Fotoplatten aufgenommenen, erdgebundenen Fotos eher rot gefärbt (Betonung der roten Wasserstofflinie), so liefern die Hubble Bilder (allerdings auch nicht 100% farbecht) neue Farben, die eher dem Anblick mit dem bevorzugt grünempfindlichen menschlichen Auge entsprechen. Ein Weltraumteleskop ist eine enorme Bereicherung für die Wissenschaft, und liefert zusätzlich auch noch wunderschöne Bilder für Diejenigen, die an der Wissenschaft weniger Interesse haben!

Dabei sah es zunächst gar nicht gut aus. Schleppende Bewilligungen und finanzielle Probleme während der Herstellung verzögerten die Fertigstellung ebenso wie die Challenger-Katastrophe erheblich. Zur genauen Positionierung des Teleskops auf jeden Punkt des Himmels musste extra ein Katalog von 15 Mio Sternen(!) erstellt werden. Schwerwiegend waren die technischen Mängel, die das Teleskop im April 1990 nach seinem Aussetzen aus einem Shuttle in 615km Höhe zeigte. Ein verbogenes Sonnensegel versetzte den Satelliten beim Kreuzen der Tag-Nachtgrenze in zehnminütige Schwingungen, die die erforderliche bogensekundengenaue(!) Nachführung des Teleskops unmöglich machten. Hinzu kam noch, dass der Hauptspiegel wegen unvorstellbarer Schlamperei bei der Fertigung erheblich von der korrekten Form abwich und keine scharfen Bilder lieferte. Der Großteil der Probleme konnte jedoch 1993 bei einer mehrtägigen Service- und Reparaturmission behoben werden. Die Farbbilder oben zeigen Arbeiten am Teleskop bei der Montage der telefonzellengroßen Korrektureinheit COSTAR, die die Abbildungsfehler erfolgreich korrigierte, die s/w Abbildung (NASA) zeigt das stark vergrößerte Bild desselben Sterns vor und nach der Servicemission! Nun konnte Hubble erst richtig loslegen, und die Astronomen mit tausenden von Aufnahmen und sensationellen Ergebnissen beglücken, wie es noch kein Teleskop zuvor auch nur annähernd geschafft hat. Wer sein Wissen über dieses wunderbare Gerät noch vertiefen möchte, sollte gleich an dieser Stelle weiterlesen!

 

Hubble Weltraumteleskop (HST) genauere Ausführungen

 

Warum Teleskope im All? Die Ausrichtung im Raum Einsatzbereiche des HST
Realisierung des Projekts Das optische System Einige Ergebnisse
Der Aufbau des Teleskops Die Servicemissionen Zukünftige Projekte
Bilder Teleskop/Planeten (NASA) Bilder Nebel/Galaxien (NASA)  

 

Warum ein Teleskop im All? Diese Frage beschäftigte einige Astronomen wie die Amerikaner Edwin Hubble und Lyman Spitzer schon vor dem Beginn des Weltraumzeitalters im Jahr 1957. Erdgebundene Teleskope waren schon weit verbreitet. Sie konnten mit vergleichsweise niedrigen Etats gebaut und gewartet werden, waren leicht in Stand zu halten und je nach der technischen Entwicklung konnten sehr große Spiegel verwendet werden, womit theoretisch sehr hohes Auflösungsvermögen und große Lichtempfindlichkeit erreichbar sind. Doch in der Praxis begrenzt unsere Atmosphäre das maximale Auflösungsvermögen enorm. Die in ihr vorhandenen Gas- und Staubteilchen streuen das Licht, und Turbulenzzellen in der Luft verwischen die Sternabbildungen. Astronomen sprechen von schlechtem „seeing“. Außerdem existieren weitere Störfaktoren wie Streulicht vom Mond und das Luftleuchten. In der Ionosphäre verbinden sich ionisierte Atome mit Elektronen, wobei sie je nach Element charakteristische Spektrallinien abstrahlen, die Intensität dieses Effekts hängt stark von der Sonnenaktivität ab. Durch diese Hintergrundhelligkeit wird das Erfassen sehr lichtschwacher Objekte extrem gestört. Und noch eine weitere Eigenschaft der Atmosphäre, die für das Leben auf unserem Planeten von größter Wichtigkeit ist, schränkt die Beobachtungs-möglichkeiten stark ein. Die Atmosphäre absorbiert den größten Teil des elektromagnetischen Spektrums. Für den Beobachter auf der Erde stehen aus diesem Grund nur zwei „Fenster“ zur Verfügung. Eins im Bereich der Radiowellen mit Wellenlängen zwischen einigen zehn Metern und etwa einem Zentimeter und ein weiteres im Bereich des sichtbaren Lichts einschließlich Teilen des nahen Infrarots und sehr begrenzt auch Teilen des Ultravioletts. Alle diese Probleme haben Teleskope im All nicht, was einen gewaltigen Vorteil gegenüber erdgebundenen Teleskopen bedeutet.

 

Die Realisierung des Projekts: Vor allem dem unermüdlichen Einsatz Lymen Spitzers ist es zu verdanken, dass das Space Telescope Institute 1972 schließlich einen konkreten Vorschlag für ein Teleskop im All, ein Large Space Telescope (LST), vorlegte und die Finanzierung vom US-Senat genehmigt wurde. In diesem Jahr begann auch das Space Shuttle Projekt, mit dem die Realisierung des LST sehr eng verknüpft war, da nur durch Shuttlemissionen eine erforderliche Wartung sichergestellt ist. Im Auftrag der NASA begann der amerikanische Konzern Lockheed im Jahr 1979 mit dem Bau des Teleskops. Die Firma Perkin-Elmer stellte die Spiegel her. Aus Kostengründen wurde statt des anfänglich geplanten Primär­spiegels mit 3 m Durchmesser ein Spiegel mit einem Durchmesser von lediglich 2,4 m verwendet. Auch die Europäische Weltraumagentur (ESA) leistete ihren Beitrag. Sie stellte die „Faint Object Camera“ (FOC) sowie die Solarpanels zur Verfügung. Im Gegenzug sicherte die NASA der ESA 15% der Beob­achtungszeit zu. Das Teleskop wurde nach Edwin Powell Hubble benannt, da sein Hauptarbeitsgebiet, die Bestimmung der Ausdehnungsrate und des Alters des Universums, ein wichtiges Ziel des Forschungsprogramms ist. Die Inbetriebnahme des Teleskops war für das Jahr 1986 geplant. Es kam jedoch zu Verschiebungen. Die Explosion der „Challenger“ hatte ein zweijähriges Aussetzen des Space Shuttle Projekts zur Folge. Immer wieder auftretende technische Probleme und Pannen, aber auch finanzielle Engpässe trugen zu Verzögerungen bei. Der Rahmen des veranschlagten Budgets von 500 Millionen Dollar wurde gesprengt und mit einem Kostenaufwand von bis dahin 2,1 Milliarden Dollar nahm das teuerste zivile Projekt der Geschichte im Bereich der Raumfahrt seinen Lauf. Am 24. April 1990 um 14 Uhr 33 Minuten und 59 Sekunden mitteleuropäischer Ortszeit startete die „Discovery“ mit dem Hubble Space Telescope an Bord. Die Besatzung der Discovery setzte das Hubble Space Telescope (HST) in einer Höhe von 613 – 615 Kilometern aus. Es umkreist die Erde auf einer leicht elliptischen Bahn mit Radien zwischen 594 und 620 Kilometern, wobei es pro Erdumrundung etwa 95 Minuten benötigt. Die Atmosphäre in dieser Höhe ist zwar sehr dünn, bremst das Teleskop dennoch sehr langsam ab. Da das HST nicht über eigene Triebwerke verfügt, muss seine Umlaufbahn immer wieder mit einem Shuttle angehoben werden (s. auch Bild links, NASA), um zu verhindern, dass es zu tief sinkt und in der Atmosphäre verglüht.

 

Der Aufbau des Teleskops: Das HST hat die Form eines Zylinders mit 15,9 m Länge und einem Durchmesser von 4,3 m. Es wiegt etwa 11,6 Tonnen. Im vorderen Teil des Zylinders sind Primär- und Sekundärspiegel angebracht. Hinter dem optischen System befinden sich vier Schächte für Geräte, die seitlich in den Strahlengang geführt werden und dahinter vier weitere axiale Geräteschächte, in denen die restlichen wissenschaftlichen Instrumente nahe der optischen Achse untergebracht sind. Der Lichteintritt kann zum Schutz der Instrumente mit einer Schutzklappe vollständig verschlossen werden. Den Aufbau erkennt man auch im Bild rechts (NASA). Montiert wurden mehrere Kameras und Spektrographen, auf die hier nicht weiter eingegangen werden kann. An gegenüberliegenden Seiten erstrecken sich die entfaltet 12,1 m langen und 2,4 m breiten Sonnensegel mit 48760 einzelnen Zellen und einer Leistung von 4,4 kW. Sie sind eine extrem dünne Konstruktion, da sie für den Transport aus Platzgründen zusammengerollt werden mussten. Die Zellen sind so elastisch, dass sie für Tests auf Wasser gelagert wurden. Die Solarpanels stellten sich als Fehlkonstruktion heraus und sorgten für unangenehme Probleme. Jedesmal wenn das HST auf seiner Umlaufbahn die Tag-Nacht-Grenze passierte, verformten sich die Solarpanels durch den Wärmeunterschied sprunghaft und versetzten das gesamte Teleskop für etwa 10 Minuten in starke Schwingungen, die nicht durch die Stabilisatoren ausgeglichen werden konnten. Diese Zeiten waren nicht für Beobachtungen nutzbar, da nur verschwommene Aufnahmen entstanden wären. Für Aufnahmen mit dem HST sind theoretisch Belichtungszeiten von 0,1 Sekunde bis zu 28 Stunden möglich, durch den Erdumlauf wird die praktische Belichtungszeit auf etwa 1 Stunde begrenzt. Es können auch nur Objekte aufgenommen werden, die mindestens in einem 50°-Winkel zur Sonne stehen, da sonst Streulicht der Sonne die schwache Strahlung der entfernten Objekte überlagert. Bei direktem Einfall würde das Sonnenlicht die Instrumente sofort zerstören. Aufgenommene Daten werden in Speichereinheiten gespeichert und auf Abfrage zur Erde gefunkt. Die Verbindung zur Steuerzentrale, dem Space Telescope Science Institute (STScI), wird über zwei Hochleistungs-Parabolantennen aufgebaut. Dauernder Funkkontakt erübrigt sich, da der Zentralcomputer nach der Übertragung der genauen Anweisungen selbständig die Position halten und die veranlassten Messungen durchführen kann.

 

Die Ausrichtung im Raum: Das HST besitzt keinen eigenen Raketenantrieb. Für die genaue Positionierung sorgen sechs Gyroskope. Ein Gyroskop (s. Bild links, NASA) funktioniert ähnlich wie ein ganz normaler Kreisel. Bei einem Gyroskop rotiert eine große Masse mit hoher Geschwindigkeit um ihre eigene Achse und stabilisiert so ihre Lage im Raum. Das HST verwendet drei Gyroskope, um seine Lage in allen drei Raumrichtungen zu stabilisieren. Die anderen drei sind als Reserve vorhanden. Das HST muss seine Lage aber nicht nur stabilisieren, sondern auch verändern können. Die Lageveränderung erreicht man durch gezielte Manipulation der Geschwindigkeit und somit des Drehimpulses. Beschleunigt oder bremst man die Rotation der Masse, so entsteht ein Impuls, dessen Stärke der Differenz der Zustände vor und nach der Veränderung entspricht. Der Impuls überträgt sich auf das Teleskop und befördert es in eine andere Lage. Für die Feinsteuerung und Korrektur der Gyroskope sind drei „Fine Guidance Sensors“ (FGS) zuständig. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, mehrere „Leitsterne“ bekannter Position im Bereich um den zu untersuchenden Himmelsausschnitt mit einer maximalen Abweichung von etwa einer 5/1000 Bogensekunde „festzuhalten“. Dazu sind normalerweise nur zwei der drei FGS notwendig, der dritte dient als Ersatz. Die genauen Positionen von etwa 15 Millionen Leitsternen musste extra für das HST in einem riesigen Katalog zusammengefasst werden.

 

Das optische System ist nach der Ritchey-Chrétien-Bauweise konzipiert. Beim diesem Teleskop ist der Primärspiegel hyperbolisch gekrümmt und der Sekundärspiegel besitzt ebenfalls Hyperboloidenform. Der Vorteil dieser Bauform ist eine relativ große scharfe Bildfläche, der Nachteil die äußerst schwierige Herstellung der hyperbolischen Spiegel. Der aus einer Leichtgewicht-Waben-Konstruktion aus Titan-Silikat-Glas gefertigte Primärspiegel (s. Bild rechts, NASA) hat einen Durchmesser von 2,4 m und wiegt etwa eine Tonne. Der Sekundärspiegel mit einem Durchmesser von 0,34 m reflektiert das vom Primärspiegel gesammelte Licht durch ein Loch in seiner Mitte und bündelt es in einer Brennebene. Die Brennweite des optischen Systems beträgt insgesamt 57,6 m. 

Schon nach den ersten Aufnahmen des HSTs war klar, dass die Optik fehlerhaft ist. Die Bilder zeigten keine punktförmigen Sternbilder, sondern ein helleres Zentrum umgeben von einem großen aufgehellten Bereich. Das HST war von seiner theoretisch erreichbaren und erhofften Leistung weit entfernt. Auf der Suche nach dem Fehler half der Umstand, daß bei Perkin-Elmer nach dem Schleifen der Spiegel die Einstellungen an den Poliermaschinen und den Testgeräten noch nicht verändert worden waren. Es stellte sich heraus, daß durch einen Fehler bei einem Testgerät der Primärspiegel am Rand um nur 2 µm, einen Bruchteil der Dicke eines menschlichen Haares, zu flach geschliffen wurde. Stimmt die Form eines Spiegels nicht, tritt eine sphärische Aberration auf, und nur ein kleiner Teil der Strahlen wird noch korrekt in der Brennebene gebündelt, was im vorliegenden Fall zu einem Sternbild mit einem 10 mal größeren Durchmesser als berechnet führte.

Enttäuschung machte sich breit. Erwartungen und Hoffnungen auf großartige Entdeckungen und Neuigkeiten aus dem All mussten zurückgeschraubt werden. In Expertenkreisen wurden Stimmen laut, die das Projekt Hubble für gescheitert hielten. Es gab nur wenige Astronomen, die noch versuchten, das Beste aus der gegebenen Situation zu machen. Die Arbeiten mit dem HST wurden fast ausschließlich in den Bereich der Spektrographie verlegt, da der Optikfehler die Spektrographen am wenigsten beeinträchtigte. Es bestand Lösungsbedarf. Die Vorschläge reichten schon bis zum Bau eines neuen Teleskops, als die Experten am 26. Oktober 1990 ein geniales Konzept zur Korrektur der sphärischen Aberration vorstellten, und in nur 28 Monaten in die Praxis umsetzten. Vor dem Eintritt in eines der Geräte wird die sphärische Aberration durch Einschieben je eines sphärischen und eines nicht sphärischen Spiegels in den Strahlengang aufgehoben. Für dieses  „Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement“ (COSTAR) musste das am wenigsten benutzte Instrument, das HSP, aus Platzgründen entfernt werden. COSTAR ist im wesentlichen eine große Kiste, in die insgesamt etwa 5300 Einzelteile eingebaut sind. 10 etwa münzengroße Spiegel sind auf beweglichen Schienen befestigt und können mit 12 Motoren genau positioniert werden. Endlos viele Sensoren kontrollieren  die exakte Lage und Temperatur der Spiegel. Sogar der Fall einer Fehlfunktion wurde berücksichtigt, so dass das gesamte System jederzeit wieder aus dem Strahlengang entfernt werden kann. Bei Tests auf der Erde verminderten die zusätzlichen Spiegel zwar die Intensität des Lichtes um 25%, vereinigten aber 70% der Strahlungsenergie wieder in einem Kreis mit 0,1 Bogensekunden Radius. Der Einbau von COSTAR wurde auf der Erde in einem Wassertank zur Simulation der Schwerelosigkeit an einem Modell des HST trainiert (s. Bild links, NASA).

 

Servicemission 1: Am 2. Dezember 1993 startete die Raumfähre „Endeavour“ mit einer siebenköpfigen Besatzung zur ersten Servicemission. An acht Tagen waren insgesamt fünf Ausstiege in den Weltraum geplant, bei denen Teams aus je zwei Astronauten die defekten Teile ersetzen sollten. Alle Handgriffe wurden lange an Modellen in Originalgröße trainiert, die zur Simulation der Schwerelosigkeit in riesigen Wasserbehältern versenkt waren. Das HST wurde mit dem Greifarm des Shuttles eingefangen und in der Ladeluke befestigt. Am dritten Tag begannen die Reparaturarbeiten mit dem Austausch zweier Gyroskope und der alten Solarpanels, von denen eins um 60 cm aus der Normallage verbogen war, wodurch sich die Montage der neuen Panels bis zum vierten Tag verzögerte. Die neuen Sonnensegel waren von der Herstellerfirma überarbeitet worden und verformten sich nicht mehr bei Wärmeschwankungen. Am fünften Tag wurde die WF/PC durch die neu entwickelte WFPC2 (s. Bild rechts, NASA) ersetzt. Einen Tag später setzten die Astronauten COSTAR in den Schacht des HSP ein.  Während des letzten Ausstiegs musste noch eine Antriebselektronik der Solarzellen ausgetauscht werden, ein sehr zeitaufwendiger Umbau, da sie nicht für einen einfachen Austausch vorgesehen war. Insgesamt kostete die erste Servicemission die NASA 674 Millionen Dollar, von denen etwa 100 Millionen Dollar direkte Folgen des defekten Spiegels waren. Mit den historischen Worten „the trouble with Hubble is over“ präsentierte die damalige Senatorin Barbara Mikulski gestochen scharfe Aufnahmen von Sternen und der Spiralgalaxie M100 im Vergleich zu vor der Installation von COSTAR gemachten Bildern. Das Image der NASA war gerettet und das HST arbeitete fortan nahe seiner theoretischen physikalischen Grenze.

 

Servicemission 2: Die zweite Servicemission wurde nicht durchgeführt, um technische Defekte zu beheben, sondern um die Instrumente der ersten Generation, die nicht mehr auf aktuellstem Stand der Technik waren, gegen Neuentwicklungen auszutauschen. Das Space Shuttle „Discovery“ startete am 11. Februar 1997 mit einer Besatzung von sieben Mann von der Startrampe des Kennedy Space Centers in Cape Canaveral. Der dritte „Fine Guidance Sensor“ wurde gegen eine überarbeitete Version ausgetauscht, die für astronomische Untersuchungen besser geeignet ist. Außerdem wurden der „Goddart High Resolution Spectrograph“ und der „Faint Objekt Spectrograph“ durch das „Near-Infrared Camera and Multi-Objekt Spectrometer“ (NICMOS) und den „Space Telescope Imaging Spectrograph“ (STIS) ersetzt.

 

Servicemission 3A: Die dritte Servicemission sollte eigentlich erst Ende 2000 durchgeführt werden, musste aber teilweise vorverlegt werden, da im April 1999 das vierte von sechs Gyroskopen ausfiel. Das HST schaltete in den Safe Mode, stand also für wissenschaftliche Aufgaben nicht mehr zur Verfügung. Die dritte Servicemission wurde deshalb in zwei Teile aufgeteilt. Der erste Einsatz startete am 20. Dezember 1999. Bei insgesamt drei Ausstiegen ersetzte die Besatzung der „Discovery“ die alten Gyroskope gegen neue Modelle mit verbesserter Haltbarkeit und baute einen leistungsfähigeren Hauptrechner und Speichererweiterungen ein. Außerdem wurde das in der Ladebucht des Space Shuttles verankerte HST vorsichtig mit Hilfe des Shuttleantriebs in eine höhere Umlaufbahn gehoben.

 

Servicemission 3B: Der zweite Teil der dritten Mission fand am 01.03.2002 statt. Bei fünf Ausstiegen aus dem Shuttle gab es einen erneuten Austausch der 8 Jahre alten Solarpanels gegen neue Versionen mit 30% mehr Leistung, den Einbau eines erweiterten Kühlsystems (-193°C) für die Infrarotgeräte, deren Kühlmittel (Stickstoffeis) verbraucht war, ein neues Gyroskop, und als wichtigste Neuerung ein völlig neuen Systems, die „Advanced Camera for Surveys“ (ACS), die die WFPC2 und die FOC ersetzt. Der Einbau der ACS war mit einer enormen Steigerung des Sichtfelds, der Empfindlichkeit und der Auflösung verbunden, wodurch das HST auch in den folgenden Jahren absolut konkurrenzlos blieb.

 

Servicemission 4: Bei dieser letzten geplanten Mission sollte Hubble erneut auf eine höhere Umlaufbahn gehoben werden, ein „fine guidance sensor“ getauscht werden, und einige Geräte gegen neue, verbesserte Versionen ausgetauscht werden. Dabei sollte auch die für die neuen Geräte nicht mehr benötigte Korrekturoptik COSTAR für ein zusätzliches neues Gerät Platz machen. Da inzwischen zwei der sechs Gyroskope zur Lagesteuerung ausgefallen sind, wären diese ebenfalls bei der Mission 4 zu ersetzen. Auch die Nickel-Wasserstoff-Batterien des Teleskops, die 14 bis 15 mal am Tag aufgeladen werden wenn Sonne die Solarzellen trifft, sind seit dem Start 1990 im Betrieb, und wären unbedingt zu erneuern. Die Hitzeschutzfolien um das Teleskop altern, und wären zu überprüfen und gegebenenfalls zu erneuern gewesen.

Wegen der schweren Unfälle bei Shuttle Flügen sah es jedoch sehr schlecht für diese Servicemission aus. Man schont daher das Teleskop so weit möglich, und ist am 28.08.2005 dazu übergegangen, die Lagesteuerung mit nur zwei Gyroskopen und einem „Fine Guidance Sensor“ zu machen. Das verlängert die Lebensdauer der Gyroskope –und damit des Teleskops- um ca. 9 Monate. Zum Zeitpunkt dieses Berichts (02.2006) war das Teleskop noch voll funktionsfähig. Falls es nicht zu einer Servicemission 4 kommt, muss ein Roboter entwickelt werden der an das Teleskop andockt, und es mit einer kontrollierten Raketenzündung so zum Absturz bringt, dass kein Schaden auf der Erde angerichtet wird. Das Bild rechts (NASA) zeigt -erkennbar an der kreuzförmigen Spur- mit großer Wahrscheinlichkeit den Zusammenprall zweier Körper im Asteroidengürtel. Dieses Bild entstand im Januar 2010 mit der neu eingebauten Kamera WFC 3, es kam also glücklicher Weise doch noch zu der im Folgenden beschriebenen Servicemission 4:

 

Neue Hoffnung: Anfang November 2006 gab die Nasa in einer groß angelegten Pressekonferenz bekannt, dass nun doch noch eine Wartungsmission stattfinden soll! Diese Mission wurde immer weiter verschoben, das Teleskop zeigte am 27. September 2008 Probleme mit der Elektronik, um diese zunächst zu klären, wurde die Wartungsmission (eine gefährliche Angelegenheit, in der Umlaufbahn des Hubble ist eine Rettungsmission für die Shuttle-Crew nicht möglich) erneut verschoben, dieses Mal auf Anfang 2009. 

Und dann war es endlich so weit: am 11. Mai 2009 startete Shuttle Atlantis zu der riskanten und wohl endgültig letzten Servicemission 4. Dabei wurden folgende Arbeiten ausgeführt:

Das Hubble Space Teleskop wurde durch diese extrem aufwändige Servicemission stark verbessert und aufgewertet, und wird hoffentlich noch lange seinen Dienst verrichten. Eine weiter Servicemission wird es aber nicht mehr geben, zumal das Shuttle-Programm der Amerikaner in 2010 beendet wird, und ein Nachfolger noch nicht in Sicht ist. Auch die Internationale Space Station wird ja in einigen Jahren aufgegeben, wie das mit der bemannten Weltraumfahrt weiter geht steht momentan in den Sternen. Der Nachfolger von Hubble, das James Webb Space Teleskope, wird Millionen Kilometer von der Erde entfernt stationiert, Servicemissionen sind dort ohnehin unmöglich. Keine Weltraummission hat uns so viele schön anzuschauende Bilder geliefert wie Hubble, und diese Tradition setzt sich dank Servicemission 4 fort. Einen Vorgeschmack auf das, was uns noch erwartet, mag das folgende Bild der neuen WFC 3 des Butterfly-Nebels NGC6302 geben. Zur Betrachtung des Bildes unbedingt den Browser in den Vollbild-Modus setzen, das geht oft durch Drücken der Taste F11.

 

 

Einsatzbereiche des HST: Ein wichtiges Ziel des HST war vor allem die Frage nach dem Alter und der Entstehung des Universums zu beantworten. Von einem kleinen Bereich des Himmels, in dem keine nahen hellen Sterne liegen, wurden über einen Zeitraum von zehn Tagen Aufnahmen mit der WFPC2 gemacht. Die Aufnahmen wurden sehr lange belichtet und mit vier verschiedenen Farbfiltern aufgenommen. Dieses „Deep Field“ zeigte tausende von weit entfernten Galaxien, mehrere Milliarden(!) mal schwächer, als das Auge sehen könnte. Mit dem NICMOS und STIS konnten die Rotverschiebungen der 1500 hellsten Galaxien direkt festgestellt werden, die Rotverschiebungen weiterer 1104 schwächerer Objekte wurden mit Hilfe der verschiedenen Aufnahmen abgeschätzt. Bei Galaxien, die kaum oder gar nicht mehr auf Aufnahmen mit UV-Filtern erkennbar sind, vermutet man so starke Rotverschiebungen, dass sämtliche Spektrallinien schon im sichtbaren Bereich liegen. Je stärker die Rotverschiebung einer Galaxie ist, desto schneller entfernt sie sich von unserer Milchstrasse, und desto weiter ist sie von uns entfernt.  Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Universums hängt nach dem Hubbleschen Gesetz direkt mit der Rotverschiebung zusammen. Kombiniert mit der kosmologischen Konstante Lambda und einer Abschätzung der Dichte ergeben sich verschiedene Modelle unseres Universums und seines Alters. Die Auswertung der erlangten Daten ist jedoch äußerst kompliziert.

Das HST ermöglicht außerdem die Bestimmung der Abstände zu anderen Galaxien, wenn diese sogenannte Standartkerzen enthalten. Zu den Standartkerzen zählen beispielsweise Cepheiden, Sterne die periodisch ihre Leuchtkraft verändern. Der Zusammenhang zwischen Periodendauer und tatsächlicher Leuchtkraft ist bekannt. Durch Messung der nach der durchlaufenen Entfernung noch verbliebenen Leuchtkraft ergibt sich aus einfachen Rechnungen recht genau der Abstand des Cepheiden zu unserem Sonnensystem, woraus sich wiederum der Abstand zur entsprechenden Galaxie abschätzen lässt. Dank der hochauflösenden Bilder können Galaxien auch einfach klassifiziert werden. Dabei teilt man sie je nach Form in Spiralgalaxien, elliptische Galaxien und entartete oder irreguläre Galaxien ein.  Festgestellt wurde auch, dass mit zunehmender Entfernung die Zahl der irregulär geformten Galaxien stark wächst. Aufnahmen der Spektren von Galaxien und Quasaren belegen die Existenz von Wasserstoff- und Heliumwolken im „freien“ Raum zwischen den Galaxien.

Neben diesem umfassenden Forschungsgebiet versuchen die Astronomen Phänomene wie schwarze Löcher, dunkle Materie, Flares, Quasare, braune Zwerge, Kugelsternhaufen und Gamma-Bursts zu ergründen. Auch die Entstehung von Sternen und Super Novae gehören zum breiten Einsatz­gebiet des Hubble Space Telescopes. Auch die Entdeckung von zahllosen vorher unbekannten Himmelsobjekten verdanken die Astronomen dem HST. Viele Beobachtungen erfolgten auch an Objekten der Milchstrasse, so zum Beispiel entstanden wunderschöne Bilder von Planetaren Nebeln (s. die beiden Beispiele links und rechts, NASA), und Aufsehen erregende Bilder von Gasnebeln und Gaswolken wie dem Orionnebel und dem Adlernebel. Das Teleskop wird selbstverständlich auch für Beobachtungen der näheren Umgebung unseres Sonnensystems eingesetzt. Kometen wie Hale-Bopp oder Hyakutake wurden aufgenommen und analysiert. Vor allem bei Aufnahmen von Planeten in unserem Sonnensystem zeichnet sich das HST durch seine ständige Einsatzbereitschaft aus. Im Gegensatz zu Raumsonden, die zwar hochauflösendere Bilder der Planetenoberflächen liefern, dafür aber erst jahrelange Flüge durchs All machen müssen, können mit dem HST ganz einfach und zu jeder Zeit Aufnahmen fast aller Planeten und ihrer Monde in unserem Sonnensystem gemacht werden. Informationen dieser Art können wie bei der Jupitersonde „Galileo“ zur besseren Koordination der Missionen verwendet werden. Die Polarlichter am Jupiter wurden erstmals mit dem HST aufgenommen, da „Galileo“ nicht mit einer UV-Kamera bestückt war. Mit Beobachtungen über längere Zeiträume ließen sich beispielsweise Veränderungen in der Mars- und Neptunatmosphäre nachvollziehen. Auch Aufnahmen unerwarteter oder zeitlich begrenzter Ereignisse wie dem Sturm auf dem Saturn im Jahr 1990 und die Einschläge der Fragmente des Kometen Shoemaker-Levy 9 auf dem Jupiter waren mit dem Teleskops möglich.

 

Tabellarische Aufstellung einiger Ergebnisse des Hubble-Teleskops aus den ersten zehn Betriebsjahren

 

PASSENDES BILD (NASA)

FORSCHUNGS-GEBIET

WISSEN VOR HUBBLE

 

WISSEN NACH HUBBLE

Ferne Galaxien, Entwicklung von Galaxien.

 

 

Bild: Winziger (41") Himmelsausschnitt in Fehlfarben, jeder rote Punkt ist eine Galaxie.

Sehr wenig Wissen über Galaxien, die weiter entfernt sind als einige Milliarden Lichtjahre.

Lange belichtete Bilder zeigen tausende von Galaxien, und geben Auskunft über deren Entwicklung, und über die Stärke der Stern-entwicklung kurz nach dem Urknall. .

Supernovae zur Eichung von Entfernungen

 

Bild: Das Licht einer Nova (rechts) ist klar von der Galaxie getrennt zu untersuchen.

Es gibt keine Möglichkeit das Licht der Supernovae vom Licht der Wirtsgalaxie zu trennen, und zu untersuchen.

Hubble erkennt viele Supernovae in fernen Galaxien. In Verbindung mit erdgebundenen Teleskopen vermisst Hubble Novae bis zum halben Alter des Universums, und zeigt, dass die Expansion des Alls beschleunigt zunimmt.

Expansionsrate des Universums

 

Bild: Kombination mit einem Bild des Spitzer infrarot-Teleskops. Entfernte Galaxien wie M104 entfernen sich zunehmend schnell.

Verschieden Gruppen streiten sich über ein Alter des Universums von 10 bis 20 Milliarden Jahre.

Hubble bestimmt das Alter des Universums relativ genau. Mit 10% Genauigkeit beträgt das Alter des Universums 12-14 Milliarden Jahre.

Umgebungen von Protosternen

 

 

 

Bild: Ein Stern bildet sich aus einer Staub-scheibe, Jets strahlen nach unten und oben.

Wenig Wissen über die genauen Mechanismen der Sternentstehung. Jet-ähnliche Gebilde und stellare Scheiben im infraroten Licht sind vereinzelt bekannt.

Entstehende Sterne werden in großer Zahl fotografiert, zeitliche Veränderungen werden sichtbar. Protoplanetare Scheiben sind normale Entwicklungsstadien, und bestimmen und lenken die aus ihnen austretenden Jets.

Super-massive schwarze Löcher

 

 

Bild: Eine Gasscheibe umgibt ein schwarzes Loch, das wegen der einstürzenden Materie hell leuchtet.

Die Existenz von schwarzen Löchern wird vermutet, aber erdgebundene Teleskope können nicht genügend sehen, um den Beweis zu erbringen.

Hubble zeigt deutliche Bilder der Umgebung schwarzer Löcher, und misst die Gasgeschwindigkeit in den umgebenden Scheiben, und liefert den Beweis, dass schwarze Löcher normale Erscheinungen in Galaxienkernen sind.

PASSENDES BILD (NASA)

FORSCHUNGS- GEBIET

WISSEN VOR HUBBLE

WISSEN NACH HUBBLE

Quasare

 

 

 

Bild: Zwei Quasare (aktive Kerne von Galaxien kurz nach dem Urknall) sind erkennbar.

Quasars entstanden im frühen Universum, einige sind von Nebelflecken umgeben, die als Wirtsgalaxie interpretiert werden. Vermutlich werden Quasare durch schwarze Löcher angetrieben.

Hubble zeigt eindeutig aufgelöste Bilder von Galaxien mit Quasaren. Einige verschmelzen mit anderen Galaxien und füttern damit das zentrale schwarze Loch. Die am weitesten entfernten Objekte entstanden relativ kurz nach dem Urknall.

Gravitations-Linsen

 

 

 

Bild: Das Bild einer entfernten Galaxie wird durch eine vorgelagerte massereiche Galaxie  vervierfacht.

Einige wenige Beispiele von Gravitationslinsen sind bekannt.

Viele Linsen werden entdeckt, die Untersuchungen können möglicherweise zur Bestimmung der Raumkrümmung und des Alters des Universums beitragen.

Uranus, Neptun, Pluto

 

 

 

Bild: Der Uranus mit einigen Monden und Ringen in Fehlfarben.

Einige Vermutungen über die Helligkeitsverteilungen auf den Oberflächen der äußeren Planeten, aber keine richtigen Details sind erkennbar.

Hubble bestätigt eindeutig die Helligkeitsverteilung durch klar aufgelöste Bilder, und zeigt Details der Oberflächen. Hubble entdeckt neue Monde. Im Gegensatz zu Planetensonden ist Hubble immer verfügbar.

Supernova 1987A

 

 

 

Bild: Es zeigt die Supernova 1987A mit bereits weit in das All reichender Gasglocke.

Die nahegelegenste Supernova seit 400 Jahren wird nach der Explosion im Februar 1987 von einer Armada von Teleskopen untersucht.

Nur Hubble hat die Auflösung, um die Veränderungen klar und eindeutig in einer sub-Lichtjahr-Skala darzustellen, inklusive Strukturen im Feuerball und dem zirkumstellaren Ring aus angereichertem Gas.

Struktur von Galaxien-Kernen.

 

 

 

Bild: Fast lichtschneller Jet schießt aus einem Galaxienkern hervor.

Nur der Kern der Milchstrasse und sehr naher Galaxien konnte relativ exakt beobachtet werden.

Hubble beobachtet viele Kerne von Galaxien. Große Kerne entstanden im frühen Universum zusammen mit elliptischen Galaxien. Kleine Kerne können sich durch Sterngeburten aufblähen, die durch Instabilitäten der Scheibe oder Verschmelzung von Galaxien ausgelöst werden.

 

 

Ausblicke auf zukünftige Projekte: Wie immer die Dinge liegen, die Tage dieses wunderbaren Instruments, das mit seinen herrlichen Bildern und den vielen neuen Erkenntnissen unser Leben bereichert hat sind gezählt, und es existieren schon Vorstellungen bezüglich mehrerer möglicher Nachfolgeprojekte. Der nächste Schritt zu immer moderneren und größeren Observatorien außerhalb der Atmosphäre könnte das von der NASA bereits geplante „James Webb Space Telescope“ sein (Modell des JWST siehe links, Bild: NASA). Der Primärspiegel soll einen Durchmesser von etwa 6,50 m haben und sich erst im All entfalten. Für das JWST ist die vollständige Erfassung der Wellenlängen von 600 nm bis zu 20 µm vorgesehen. Das Teleskop ist besonders auf das infrarote Licht spezialisiert, weil wegen der Rotverschiebung das Licht extrem entfernter Galaxien voll aus dem sichtbaren in den Infraroten Wellenlängenbereich wandert, und eine Hauptaufgabe des JWST die Untersuchung dieser extrem weit entfernten Galaxien sein soll. Diese Galaxien sind besonders interessant, weil wir sie so sehen, wir sie kurz nach dem Urknall entstanden sind. Für die Infrarot-Detektoren müssen Kühlsysteme entwickelt werden, die bis nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlen können, dann lassen sich selbst solche Galaxien untersuchen, deren Licht in den Wellenlängen-Bereich von Zimmertemperatur verschoben ist! Da solche Aufträge bereits an Firmen vergeben wurden, scheint der Bau des JWST relativ sicher, der Start ist vorerst für 2013 geplant. Das Teleskop würde 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt stationiert, Servicemissionen wären nicht möglich.

Man denkt auch an ein gigantisches Interferometer aus sieben kleinen Teleskopen, die „Space Interferometry Mission“ (SIM) und das „New Millenium Interferometer“ (NIM) aus drei einzelnen Satelliten, von denen zwei das Licht sammeln und zum dritten schicken sollen. Weitere Pläne wären ein „Terrestrial Planet Finder“ und ein „Planet Imager“. Bei allen Überlegungen sollte man aber nicht vergessen, dass die auf der Erde stationierten modernen Teleskope mit ganz neuer Technik (adaptiver Optik, verformbaren Hauptspiegeln, Laserleitsternen etc.) ganz enorme Fortschritte gemacht haben, und inzwischen einige Aufgaben besser lösen können, als ein schwer zugängliches Teleskop im All. Auch die Entwicklung von Radio-Teleskopen ist weiter fortgeschritten, und ermöglicht mit interferometrischer Zusammenschaltung von weit von einander entfernten Teleskopen zu einem "Riesenteleskop" viel höhere Auflösungen. Was also in Zukunft sinnvoll und machbar ist, ist völlig ungewiss, aber eins ist sicher: die weitere Entwicklung wird sehr, sehr spannend sein………

 

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