Wie Teleskope funktionieren: Optische, Radio- und Weltraum-Observatorien erklärt

Die Grundaufgabe eines Teleskops ist es, mehr elektromagnetische Strahlung zu sammeln, als das menschliche Auge kann, und sie in den Fokus zu bringen. Der Durchmesser des Hauptspiegels, der Linse oder der Antenne eines Teleskops – seine Apertur – bestimmt zwei Dinge: wie viel schwaches Licht es sammeln kann, und wie fein es Details trennen kann, laut dem US National Radio Astronomy Observatory (NRAO). Eine größere Apertur bedeutet, dass schwächere, weiter entfernte Objekte sichtbar werden und feinere Strukturen in den Blick kommen.

Optische Teleskope: Linsen, Spiegel und das Atmosphärenproblem

Klassische optische Teleskope sammeln sichtbares Licht entweder mit Linsen (Refraktoren) oder Spiegeln (Reflektoren). Das Hubble-Weltraumteleskop verwendet beispielsweise ein reflektierendes Design: Licht trifft auf einen 2,4-Meter-Konkavhauptpiegel, prallt auf einen kleineren Sekundärspiegel von etwa 0,3 Meter Durchmesser ab und kehrt durch ein Loch im Hauptspiegel zurück, um die wissenschaftlichen Instrumente zu erreichen, laut dem NASA Goddard Space Flight Center. Diese Zwei-Spiegel-Konfiguration, genannt Ritchey-Chrétien-Design, ist gebaut, um Bilder über ein breites Sichtfeld scharf zu halten.

Am Boden leiden selbst die besten Standorte unter atmosphärischer Turbulenz, die Sterne zum Flimmern bringt und feine Details verschwimmt, laut der Europäischen Südsternwarte (ESO), die das Very Large Telescope in Chile betreibt. Die Lösung der ESO ist adaptive Optik: Ein Wellenfrontsensor misst, wie das Licht eines Sterns verzerrt wurde, und ein computergesteuerter deformierbarer Spiegel korrigiert die Verzerrung in Echtzeit. Wenn kein helles natürliches Sternbild in der Nähe des Ziels sitzt, schießt die ESO einen leistungsstarken Laser in die obere Atmosphäre, um einen künstlichen Referenzstern zu erzeugen. Die ESO sagt, dass diese Korrektur bodengestützte Bilder bei sichtbaren Wellenlängen fast so scharf machen kann wie Weltraumteleskopbilder, zu einem Bruchteil der Kosten eines Weltraumteleskops.

Warum einige Teleskope die Erde verlassen müssen

Die Erdatmosphäre verschwimmt nicht nur Bilder – sie blockiert auch ganze Wellenlängen vollständig. Laut der Astronomie-Bildungswebseite Las Cumbres Observatory absorbiert oder reflektiert die Atmosphäre die meisten ultravioletten Lichter, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und das meiste Infrarotlicht und lässt hauptsächlich sichtbares Licht, einiges Infrarot und Teile des Radiospektrums durch. Deshalb müssen Observatorien, die zum Beobachten dieser blockierten Wellenlängen gebaut wurden – wie das auf Röntgenstrahlen ausgerichtete Chandra-Observatorium, das Gammastrahlen-Fermi-Weltraumteleskop und Infrarotmissionen wie Spitzer und Herschel – über der Atmosphäre kreisen, anstatt auf einer Bergkuppe zu sitzen.

Röntgenteleskope benötigen auch ein völlig anderes optisches Design als sichtbar-Licht-Teleskope. Laut dem Chandra X-ray Center am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics sind Röntgenphotonen so energiereich, dass sie direkt durch einen konventionellen Spiegel hindurchgehen, auf den sie direkt abzielen, ähnlich wie eine Kugel durch eine Wand schlägt. Die Lösung von Chandra ist, die Spiegel so zu neigen, dass Röntgenstrahlen in einem flachen Winkelverhältnis auftreffen und in den Fokus abprallen, ähnlich wie ein Stein über Wasser springt. Chandra verwendet vier faßförmige Spiegelpaare, die auf die Glätte von einigen Atomen poliert und mit Iridium beschichtet sind, ausgerichtet auf weniger als etwa 1,3 Mikrometer – ein kleiner Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares, laut dem Chandra X-ray Center.

Infrarot-Riesen: Durchblick durch Staub und zurück in der Zeit

Das James Webb Space Telescope (JWST) ist gebaut, um Licht von sichtbarem Rot bis zu mittleren Infrarotwellenlängen zu erkennen, das grob 0,6 bis 28,8 Mikrometer umfasst, laut NASA. Sein Primärspiegel erstreckt sich mit 6,6 Metern über 18 sechseckige goldbeschichtete Segmente, was ihm eine Sammelfläche etwa 5,6 Mal größer als Hubbles gibt. Gold wurde gewählt, weil es rot-zu-mittleres Infrarotlicht besonders gut reflektiert. Die NASA sagt, dass diese Kombination aus Größe und Wellenlängenbereich Webb erlaubt, das schwache Infrarotlicht von Galaxien mehr als 13,5 Milliarden Lichtjahre entfernt zu erkennen, und dass Infrarotlicht durch dichte Staubwolken hindurchgehen kann, die das meiste sichtbare Licht blockieren, das Hubbles Instrumente erkennen können. Webb kreist um den Sun-Earth L2 Punkt, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, wo es frei von den warmen, lichtstreuenden Effekten sowohl der Sonne als auch der Erde bleibt.

Radioteleskope: Schüsseln, die als ein riesiges Auge fungieren

Radioteleskope sammeln die längsten Wellenlängen des Lichts, das Astronomen verwenden, von etwa 1 Millimeter bis über 10 Meter, laut NRAO. Jede Antenne hat eine parabolische Schüssel, die eingehende Radiowellen auf einen Empfänger fokussiert, der das Signal zur Analyse verstärkt – ein Prozess, den NRAO als ähnlich funktionierend wie ein optisches Teleskop beschreibt, aber auf viel schwächere, viel längere Wellen abgestimmt. NRAO merkt an, dass die untersuchten Radiosignale außerordentlich schwach sind – nach seiner Schätzung ist ein typisches Handy-Signal etwa eine Milliarde Milliarden Mal stärker als die kosmischen Radiowellen, die diese Teleskope erkennen.

Eine einzelne Schüssel hat ein Auflösungsproblem: weil die Winkelauflösung von der Wellenlänge geteilt durch den Antennendurchmesser abhängt, und Radiowellenlängen so lang sind, kann selbst eine große Schüssel wie das Green Bank Telescope die feinen Details eines optischen Teleskops allein nicht erreichen, sagt NRAO. Die Lösung ist Interferometrie – Verbindung vieler Schüsseln, die über große Entfernungen verteilt sind, so dass sie als ein viel größeres Teleskop fungieren. NRAO nennt das Very Large Array, dessen 27 aktive Schüsseln (plus eine Reserveschüssel) in New Mexico über Konfigurationen verteilt werden können, die grob 40 Meilen Gleis verwenden, und das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), das 66 Schüsseln in Chile verbindet, als Beispiele für diesen Ansatz, verwendet zum Kartographieren von Galaxien, zum Erkennen von schwarzen Löchern und zum Studieren der frühesten kosmischen Strukturen.

Was verschiedene Wellenlängen enthüllen

• Sichtbar-Licht-Teleskope, Boden- oder Weltraum-gestützt, erfassen die Sterne, Galaxien und Nebel, die dem nächsten sind, was das menschliche Auge sehen würde.
• Infrarot-Teleskope wie Webb sehen durch Staubwolken hindurch und können einige der am weitesten entfernten, ältesten bekannten Galaxien erreichen, laut NASA.
• Röntgen-Teleskope wie Chandra sind gebaut, um explodierte Sterne, Galaxienhaufen und um schwarze Löcher strömende Materie zu studieren.
• Radio-Teleskop-Anordnungen wie das VLA und ALMA kartographieren kaltes Gas, entfernte Galaxien und schwarze Loch-Umgebungen, indem sie viele Schüsseln zu einem effektiven Instrument kombinieren, laut NRAO.