Seit 1990 arbeitet das Hubble Weltraumteleskop im Weltraum. Das Teleskop ist das größte, das bis dahin gestartet wurde. (Stand 2002)
Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: NASA.
Zu den ersten Menschen, die den Himmel mit Hilfe eines Teleskops genauer beobachteten, gehörte Galileo Galilei (1564-1642). So beobachtete er beispielsweise die vier größten Jupitermonde, die wir noch heute “Galileische Monde” nennen. Die Teleskoptechnik entwickelte in den folgenden Jahrhunderten ständig weiter. Die Teleskope wurden größer und besser. Nach der Entdeckung der verschiedenen Strahlungsarten, wie die Röntgen- oder Radiostrahlung, wurden auch dafür neue Teleskoptypen entwickelt. So gibt es heute weltweit beispielsweise viele hundert Radioteleskope. Da die Röntgenstrahlung die Erdatmosphäre kaum durchdringt mussten hochmoderne Röntgenteleskope in Form von Satelliten in eine Erdumlaufbahn geschossen werden.
Unser sichtbares Licht, das wir mit den Augen wahrnehmen, gelangt zwar fast problemlos durch unsere Atmosphäre, doch die Bedingungen für eine Beobachtung von der Erde aus ist noch aus einem anderen Grund nicht optimal. Die Erdatmosphäre besteht aus vielen Luftschichten, die für einen Beobachter an der Oberfläche die Stern am Himmel zum “Flimmern” bringt. Schon 1923 hatte der deutsche Raketenwissenschaftler Hermann Oberth die Idee, ein Teleskop auf einer Raumstation in der Erdumlaufbahn zu installieren. Doch in der Realität dauerte die Umsetzung dieser Idee noch etliche Jahrzehnte.
Die Anfänge
Das Projekt, aus dem später das “Hubble Space Telescope” (HST) werden sollte, wurde 1977 vorgelegt. 450 Millionen Dollar wurden veranschlagt und der Start war für 1983 geplant. Allerdings erhielt die NASA die Auflage, einen Partner zu suchen, um die Kosten der Konstruktion zu verteilen. Die europäische Weltraumagentur ESA war bereit sich zu 15 Prozent am Projekt zu beteiligen. Die Beteiligung wurde in Form von Entwicklung und Fertigung verschiedener Komponenten des Teleskops und durch die Bereitstellung von Personal erbracht. Im Gegenzug wurden der ESA 15 Prozent Beobachtungszeit eingeräumt. Es traten gehäuft Probleme beim Bau des sehr großen Satelliten auf, die den Start immer weiter verzögerten. Er war für Ende 1986 geplant, doch die Challenger-Katastrophe im Februar ’86 zwang die gesamte Shuttle-Flotte auf den Boden. Wieder wurde der Start des HST verschoben, diesmal auf 1990. Die Kosten für die Entwicklung und Fertigung hatten sich schon 1986 verdreifacht und betrugen 1,6 Milliarden Dollar.
Am 24. April 1990 war es dann endlich soweit: Die Raumfähre Discovery brachte das HST ins All (Mission STS-31). Einen Tag später wurde es ausgesetzt – in einer Höhe von 600 km. Dies ist die höchste von einem Space Shuttle erreichbare Umlaufbahn, absolut gesehen allerdings ein niedriger Orbit. Es wurden viele Tests durchgeführt, die die Funktionsfähigkeit aller Komponenten des HST überprüfen sollten. Am 20. Mai 1990 wurde der Hauptspiegel endlich für das “first light” auf das erste Objekt, den Sternenhaufen NGC 3532 in 1.300 Lichtjahren Entfernung, ausgerichtet. Wie schon erwartet war das Bild nicht ganz scharf, doch ging man davon aus, es könne mit verschiedenen Justierungen verbessert werden. So wurden der Presse ein Erfolg gemeldet. Hinter den Kulissen waren die Astronomen aber enttäuscht, denn die erhoffte Bildqualität war bei weitem nicht erreicht worden. Es hatte den Anschein, dass das Licht des Zentralsterns nicht vollständig in einem Punkt aufgelöst wurde, wie es eigentlich hätte sein müssen.
Doch die Bildqualität war nur ein Fehler in der Teleskoptechnik von weiteren. Die beiden Solarzellenausleger waren nicht optimal entwickelt, da sie in Schwingung versetzt wurden, wenn sie sich während einer Erdumkreisung erwärmten und somit ausdehnten und dann wieder durch die Abkühlung zusammenschrumpften. Weitere Fehler in den “Fine Guidance Sensors” bei der Ausrichtung auf die Leitsterne ließen sich leicht von der Erde aus beheben, was bei den schwerwiegenderen Fehlern aber nicht der Fall war. Man führte noch mehr Tests durch und nach und nach bildete sich bei den Technikern und Astronomen die Meinung heraus, dass wohl im Hauptspiegel selbst einen gravierenden Fehler aufweisen müsste.
Es stellte sich heraus das der Schliff des Hauptspiegels nicht korrekt ausgeführt worden war: Er war um genau 2 Mikrometer zu flach (das ist etwa ein Fünfzigstel der Breite eines Menschenhaares!). Außerdem litt das Lichtsammelvermögen des Teleskops: Statt den erhofften 80 Prozent wurden nur 10 bis 15 Prozent im Brennpunkt gesammelt. Es wurde viele Lösungsmöglichkeiten diskutiert und wieder verworfen. Man wollte möglichst keine Verluste in der Bildqualität zulassen. Erst am 2. Dezember 1993 startete die Endeavour (Mission STS-61) mit sieben Astronauten, die ein Jahr lang für die Mission trainiert hatten. Zuerst wurde das HST mit dem Roboterarm des Shuttles “eingefangen” und in der Ladebucht verstaut. Danach arbeiteten vier Astronauten mehr als 35 Stunden daran, Geräte auszutauschen und zu installieren. Schon beim Bau des HST wurde eine mögliche Reparatur berücksichtigt. So befinden sich an der Außenhülle mehrere Fangösen zum Einfangen und 76 Handgriffe zum Arbeiten für die Astronauten.
Als wichtigste Maßnahme der Mission wurde eine Korrekturoptik für den Hauptspiegel eingesetzt. Außerdem wurden die Sonnenpaddels und mehrere andere unzuverlässige Geräte ausgetauscht. Unklar war aber, ob die neuen Geräte wirklich zu einer Verbesserung führen würden. Am 17. Dezember 1993 war es dann soweit: Das Wissenschaftlerteam machte die erste Aufnahme mit der neu eingesetzten Korrekturoptik und das Bild des Sternenhaufens erschien haarscharf – die Shuttle-Mission war erfolgreich gewesen, das HST hatte seine volle Leistungsfähigkeit erreicht.
Die Technik
Das HST hat mit 13,1 m Länge, 4,3 m Durchmesser und 11,6 t im Gewicht etwa die Größe eines Busses. Es wurde unter der Vorgabe entwickelt, möglichst viele verschiedene astronomische Objekte ohne direkte menschliche Hilfe beobachten zu können. In der Erdumlaufbahn kann das HST Licht in allen Wellenlängen von infrarotem über sichtbares bis hin zu ultraviolettem Licht messen. Das Licht trifft in den Tubus und dann auf den Hauptspiegel mit 2,4 m Durchmesser. Danach wird das Licht, wie bei jedem Teleskop der sogenannten “Cassegrain”-Bauform”, auf den Hilfsspiegel im Zentrum des Rohrs zurückgeworfen und von wissenschaftlichen Instrumenten gemessen. Das Lichtsammelvermögen des HST ist so hoch, dass es ein Glühwürmchen in 16000 km Entfernung noch abbilden kann.Über den Messinstrumenten ist die “Wide Field and Planetary Camera” (WF/PC) montiert. Mit ihr werden der größte Teil der Aufnahmen des HST gemacht und zur Erde geschickt.
Die WF/PC arbeitet mit Hilfe sogenannter “charge coupled devicec” (CCDs). Diese haben eine ähnliche Aufgabe wie Fotoplatten, mit dem Unterschied, dass die Bilder digital gespeichert werden. Eine CCD setzt das einfallene Bild in elektrische Signale um. Diese werden später von einem Computer ausgelesen und weiterverarbeitet. Der große Vorteil von CCDs gegenüber “normalen” Fotoplatten ist eine 10- bis 40-fache höhere Empfindlichkeit. Außerdem sind sie fast beliebig oft wiederverwendbar. In weiteren drei Ladebuchten befinden sich “Fine Guidance Sensors” (FGSs). Diese Instrumente positionieren das Gesichtsfeld des HST anhand von Leitsternen, deren Position genau bekannt ist. Eigentlich sind nur zwei FGSs nötig, allerdings sind sie so wichtig, das ein drittes Ersatzgerät eingebaut wurde. Im Herzen des HST sind die Messinstrumente untergebracht, darunter die “Faint Object Camera” (FOC). Sie wurde von der ESA in den Niederlanden entwickelt und hat die Aufgabe das Auflösungsvermögen des Teleskops voll auszunutzen. Eingesetzte Bildverstärkungstechniken können Objekte abbilden, die 50mal lichtschwächer sind, als Objekte, die erdgebundene Teleskope wahrnehmen können. Außerdem sind zwei Spektrographen in den Ladebuchten untergebracht. Dies sind Geräte, die mit Hilfe der Spektrallinien kosmischer Objekte deren vorhandene Elemente bestimmen können.
Fazit
Der “Faint Object Spectrograph” (FOS) kann einen großen Bereich vom fernen ultravioletten bis zum sichtbaren Licht messen. Als nach der Challenger-Katastrophe der Start um vier Jahre verzögert wurde, verformte sich sein Spiegel unter Einwirkung des Luftsauerstoffs und verschlechterte somit sein Reflektionsvermögen. Der zweite Spektrograph “Goddard High Resolution Spectrograph” (GHRS) ist nur für den Wellenbereich des ultravioletten Lichts zuständig. Aufgrund des eingeschränkten Spektrums ist seine Abbildungsauflösung sehr hoch. Zu Intensitätsbestimmung der messbaren Strahlung des HST war das “High Speed Photometer” (HSP) zuständig. Da es nur bedingt einsatzfähig war, wurde das Gerät während der Reparaturmission des Space Shuttles ausgetauscht, da man eine Ladebucht für die Korrekturoptik benötigte.
Die Fülle der Bilder und Entdeckungen des “Hubble Space Telescope” sind überwältigend. So lieferte es beispielsweise Bilder von allen Planeten des Sonnensystems bis hin zu den schärfsten Bildern von Pluto und seinem Mond Charon, die bis jetzt gemacht worden sind. Das Hubble machte eindrucksvolle Aufnahmen von allen beobachtbaren Objekten und half viele kosmologische Phänomene zu analysieren und zu klären. Sogar der indirekte Nachweis der mysteriösen Schwarzen Löchern gelang mit Hilfe des HST. Zu den gewaltigsten Untersuchungen gehört das “Hubble deep field survey”. Auf den Aufnahmen erkennt man eine Ansammlung von Galaxien, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind. Jeder noch so kleine Lichtpunkt auf dem Bild ist eine Galaxie – eine unglaubliche Vorstellung, die sehr gut die Größe des Universums verdeutlicht.
Im Jahr 2000 feierte das HST seinen zehnten Geburtstag. Es hat sich mittlerweile zu einem der erfolgreichsten Projekte der Raumfahrt entwickelt, trotz anfänglicher Probleme. Die Forschungsergebnisse beweisen – die enormen internationalen Investitionen in das Weltraumteleskop haben sich gelohnt.