Infrarottelekop Sofia 18.05.2013, 08:00 Uhr

Eine Sternwarte geht in die Luft

Mit einem Infrarotteleskop, das durch die geöffnete Luke eines mit 800 km/h dahingleitenden Jumbojets von der Stratosphäre aus ins All blickt, erforschen amerikanische und deutsche Wissenschaftler die Geburt von Sterngiganten. Die fliegende Sternwarte garantiert einen weitaus flexibleren Messbetrieb als ein Satellit und soll mit 20 Jahren auch länger in Betrieb sein.

Während Sofias großes Teleskopsystem sich langsam dreht, prüfen Wissenschaftler und Teleskoptechniker die übertragenen Daten und Bilder auf ihren Monitoren.

Während Sofias großes Teleskopsystem sich langsam dreht, prüfen Wissenschaftler und Teleskoptechniker die übertragenen Daten und Bilder auf ihren Monitoren.

Foto: NASA

Es ist die Geburt eines neuen Superstars: 20-mal so schwer wie die Sonne, verbirgt sich einer der massereichsten Sternembryonen in der Milchstraße in einer Hülle aus rotierenden Gas- und Staubteilchen, die alles sichtbare Licht verschluckt. Die Kernfusion hat noch nicht gezündet, doch die Wärme der sich zusammenballenden Materie lässt G35, wie die Astronomen den schwergewichtigen Protostern nennen, bereits glimmen.

Gestochen scharfe Infrarotaufnahmen

Gestochen scharfe Infrarotaufnahmen des fliegenden Teleskops „Sofia“ offenbaren eine Überraschung: „Wir sind von komplizierten Vorgängen bei der Bildung massereicher Sterne ausgegangen. Nun stellt sich heraus, dass diese genauso einfach abläuft wie bei sonnenartigen Sternen“, berichtet Projektleiter Yichen Zhang, Astronom von der University of Florida.

Es ist nicht das erste Mal, dass das Teleskop Sofia für Aufsehen in der Fachwelt sorgt. Vor Kurzem erst hatten die deutschen Kollegen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn mithilfe des Infrarotteleskops beobachtet, wie sich Protosterne aus ihrer Staubhülle befreien und dabei die umgebende Materiewolke verschlingen.

Die Messungen waren so präzise, dass die Forscher den „Stoffwechsel“ exakt berechnen konnten: Mit bis zu 10 000 km/h prasselt Material auf die Sternoberflächen und lässt die Gasbälle binnen weniger Wochen um die Masse der Erde anwachsen. Das ist weit schneller, als es die Modelle vorhersagen. So braucht es nur wenige Tausend Jahre, bis sich ein Sterngigant von 20 Sonnenmassen entwickelt hat.

Technische Meisterleistung

Die neuen Erkenntnisse sind auch eine technische Meisterleistung, denn das 17 t schwere 2,7-m-Spiegelteleskop blickt während der Messungen aus der geöffneten Luke eines Jumbojets, der in 14 km Höhe mit gut 800 km/h seinen himmlischen Zielen hinterherjagt.

Blick ins Innere von Sofia: Vor dem Hauptspiegel des Teleskops bleibt in der Kabine jenseits des Druckschotts viel Platz für Messtechnik sowie für die Arbeitsplätze der Wissenschaftler. 

Blick ins Innere von Sofia: Vor dem Hauptspiegel des Teleskops bleibt in der Kabine jenseits des Druckschotts viel Platz für Messtechnik sowie für die Arbeitsplätze der Wissenschaftler. 

Foto: NASA

Was wie Akrobatik anmutet, ist seit gut zwei Jahren wissenschaftliche Mission der fliegenden Sternwarte Sofia. Das Kürzel steht für Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, ein deutsch-amerikanisches Forschungsprojekt, an dessen Entwicklung und Betrieb neben der US-Weltraumbehörde Nasa auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) beteiligt ist.

In die Luft – genauer, über die Infrarotstrahlung schluckenden, wasserdampfhaltigen Luftschichten der Erde – gehen Forscher, weil die fliegende Sternwarte flexibler ist als ein Satellit, erklärt Dörte Mehlert vom Deutschen Sofia-Institut an der Universität Stuttgart, das den wissenschaftlichen Betrieb koordiniert: „Veraltete oder kaputte Messinstrumente sind leichter zu ersetzen als bei einem Satellit. Das garantiert den Wissenschaftlern optimale Ergebnisse.“

Breites Spektrum an wissenschaftlichen Zielen

Mit seinen wählbaren Infrarotdetektoren, die einen großen Wellenlängenbereich der Strahlung zwischen 300 nm und 1600 µm erfassen, deckt das Teleskop ein breites Spektrum an wissenschaftlichen Zielen ab: vom Planeten Jupiter, der so viel Wärmeenergie in seinem Innern erzeugt, dass ihn die Astronomen schon fast als ein auf dem Weg zu einem Stern stecken gebliebenen Gasriesen ansehen, bis hin zu den Sternkinderstuben ferner Galaxien, wo in einer Geburtswelle Tausende Sonnen auf einmal das Licht der Welt erblicken.

Sofia fliegt nur nachts, damit Licht die empfindlichen Messungen nicht stört. Ist die Beobachtungsflughöhe erreicht, öffnet sich eine Schiebetür im linken hinteren Rumpf der umgebauten Boeing 747 und das in einer hermetisch abgeschotteten Kabine untergebrachte Teleskop blickt in die sternfunkelnde Unendlichkeit.

Draußen herrschen -60 °C und durch die geöffnete Luke pfeift der Flugwind, Luftströmungen und Schubänderungen der Triebwerke rütteln am Flugzeug. Wie schafft es das Teleskop trotzdem präzise im Flug zu messen?

Ausgefeilte elektronische Steuerung

Die Flugbewegungen gleicht eine ausgefeilte elektronische Steuerung aus, wie Mehlert erklärt: „Dabei entspricht die Genauigkeit, mit der das Teleskop an einem Punkt am Himmel stehen bleiben kann, der Aufgabe, eine 1-Cent-Münze auf die Entfernung von 16 km zu fixieren.“ Deflektoren, die außen an der Luke angebracht sind, bremsen Luftturbulenzen aus.

Für die auch bei plötzlichen Flugmanövern nötige Lagestabilität sorgen drei Gyroskope. Sie halten das in seiner Grundstruktur aus leichtem, sehr stabilem Kohlefaserkunststoff gefertigte Teleskop stets in der richtigen Position. Vibrationen und Rüttelbewegungen fängt eine Ölwanne ab, auf der das Teleskop ruht. Zusätzlich sorgen zwölf luftgefederte Dämpferelemente und Federn dafür, dass das Teleskop ruhig liegt.

Auch der aus glaskeramischem Zerodur gegossene 2,7-m-Hauptspiegel ist auf hohe Beanspruchung ausgelegt, denn er muss Temperaturschwankungen von 100 °C verkraften. Eine auf der Unterseite des Spiegels speziell gefräste Wabenstruktur garantiert hohe Festigkeit und ein relativ geringes Gewicht.

Je nach Aufgabenstellung kann das Teleskop mit verschiedenen Kameras und Messinstrumenten betrieben werden. Gesteuert wird es von den Forschern, die in der ausgeräumten Passagierkabine vor ihren Computerkonsolen sitzen und während des mehrstündigen Fluges gebannt verfolgen, welche Daten ihnen Sofia liefert.

Geplant ist ein 20-jähriger Betrieb der fliegenden Sternwarte. Pro Jahr soll sie, so der Wunsch der Wissenschaftler, etwa 160 Messflüge absolvieren. 

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