Frontiers for Young Minds

Wenn du in den Nachthimmel schaust, siehst du die hellen Lichter der Sterne. Wenn man an einem dunklen Ort weit weg von Städten lebt, kann man Tausende von ihnen sehen. Aber die einzelnen Punkte, die du siehst, sind alle nahe gelegene Sterne. Allein in unserer Galaxie, der Milchstraße, gibt es etwa 100 Milliarden weitere Sterne. Außerhalb der Milchstraße gibt es nach Ansicht der Astronomen etwa 100 Milliarden weitere Galaxien (jede mit ihren eigenen 100 Milliarden Sternen). Fast alle diese Sterne sind für unsere Augen unsichtbar, da sie das schwache Licht entfernter Sterne nicht sehen können. Ihren Augen entgehen auch noch andere Dinge. Das sichtbare Licht, das Ihre Augen sehen können, ist nur ein winziger Teil dessen, was Astronomen als „elektromagnetisches Spektrum“ bezeichnen, d. h. das gesamte Spektrum der verschiedenen Lichtwellen, die es gibt. Zum elektromagnetischen Spektrum gehören auch Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlung, Infrarotstrahlung, Mikrowellen und Radiowellen. Da das menschliche Auge nur sichtbares Licht sehen kann, müssen wir spezielle Teleskope bauen, um den Rest dieses „Spektrums“ zu erfassen – und sie dann in Bilder und Grafiken umwandeln, die wir sehen können.

Was ist eine Radiowelle?

Licht besteht aus winzigen Teilchen, die „Photonen“ genannt werden. Die Photonen im sichtbaren Licht haben eine mittlere Energie. Wenn Photonen etwas mehr Energie haben, werden sie zu ultravioletter Strahlung, die man nicht sehen kann, von der man aber einen Sonnenbrand bekommen kann. Bei noch mehr Energie werden Photonen zu Röntgenstrahlen, die dich durchdringen. Wenn Photonen noch mehr Energie haben, werden sie zu Gammastrahlen, die aus Sternen kommen, wenn sie explodieren.

Wenn Photonen aber etwas weniger Energie haben als Photonen des sichtbaren Lichts, nennt man sie Infrarotstrahlung. Man kann sie als Wärme empfinden. Die Photonen mit der geringsten Energie schließlich nennen wir „Radiowellen“. Radiowellen kommen von seltsamen Orten im Weltraum – den kältesten und ältesten Orten und den Sternen mit dem meisten Material auf engem Raum. Radiowellen verraten uns etwas über Teile des Universums, von denen wir nicht einmal wüssten, dass sie existieren, wenn wir nur unsere Augen oder Teleskope benutzen würden, die sichtbare Photonen sehen.

Wellenlänge und Frequenz

Radioastronomen nutzen diese Radiophotonen, um etwas über das unsichtbare Universum zu erfahren. Photonen bewegen sich in Wellen, als ob sie mit einer Achterbahn fahren würden, die immer wieder die gleichen zwei Schienenstücke benutzt. Die Größe der Welle eines Photons – seine Wellenlänge – gibt Aufschluss über seine Energie. Abbildung 1 zeigt Wellen mit zwei verschiedenen Wellenlängen. Wenn die Welle lang ist, hat sie nicht viel Energie, wenn sie kurz ist, hat sie sehr viel Energie. Radiowellen haben nicht viel Energie, und das bedeutet, dass sie sich in großen Wellen mit langen Wellenlängen ausbreiten. Radiowellen können Hunderte von Metern oder nur ein paar Zentimeter breit sein.

Astronomen sprechen auch davon, wie viele dieser Wellen pro Sekunde einen Punkt passieren – die „Frequenz“ der Radiowelle. Du kannst dir die Frequenz vorstellen, indem du dir einen Teich mit Wasser vorstellst. Wenn du einen Stein ins Wasser wirfst, bewegen sich die Wellen über den Teich. Wenn du im Wasser stehst, treffen die Wellen auf deine Knöchel. Die Anzahl der Wellen, die in einer Sekunde auf dich treffen, gibt die Frequenz der Wellen an. Eine Welle pro Sekunde wird als 1 Hertz bezeichnet. Eine Million Wellen pro Sekunde sind 1 MHz. Wenn die Wellen lang sind, treffen weniger von ihnen pro Sekunde auf dich, daher haben lange Wellen eine geringere Frequenz. Radiowellen haben lange Wellenlängen und kleine Frequenzen.

Radio-Pioniere

Der erste Radioastronom wollte nicht der erste Radioastronom sein. 1933 arbeitete ein Mann namens Karl Jansky an einem Projekt für die Bell Laboratories, ein Labor in New Jersey, das nach Alexander Graham Bell, dem Erfinder des Telefons, benannt war. Die Ingenieure dort entwickelten das erste Telefonsystem, das über den Atlantik hinweg funktionierte. Als die Menschen zum ersten Mal versuchten, mit diesem System zu telefonieren, hörten sie zu bestimmten Tageszeiten ein Rauschen im Hintergrund. Die Bell Labs hielten dieses Geräusch für schlecht fürs Geschäft und schickten Karl Jansky los, um herauszufinden, was die Ursache dafür war. Er stellte bald fest, dass das Rauschen begann, wenn die Mitte unserer Galaxie am Himmel aufstieg, und endete, wenn sie unterging (alles am Himmel geht auf und unter, genau wie Sonne und Mond). Er fand heraus, dass Radiowellen, die vom Zentrum der Galaxie kamen, die Telefonverbindung störten und das Rauschen verursachten. Er – und das Telefon – hatten Radiowellen aus dem Weltraum entdeckt. Jansky eröffnete ein neues, unsichtbares Universum. Abbildung 2 zeigt ein Bild der Antenne, mit der Karl Jansky Radiowellen aus dem Weltraum aufspürte.

Angeregt durch Janskys Forschungen baute ein Mann namens Grote Reber ein Radioteleskop in seinem Hinterhof in Illinois. Er stellte das Teleskop, das einen Durchmesser von 31 Fuß hatte, im Jahr 1937 fertig und nutzte es, um den gesamten Himmel zu betrachten und zu sehen, woher die Radiowellen kamen. Aus den Daten, die er mit seinem Radioteleskop sammelte, erstellte er die erste Karte des „Radiohimmels“.

Radio Telescope Talk

Sie können sichtbares Licht sehen, weil sich die Photonen des sichtbaren Lichts in kleinen Wellen bewegen, und Ihr Auge ist klein. Aber weil Radiowellen groß sind, müsste dein Auge groß sein, um sie zu erkennen. Während normale Teleskope also nur wenige Zentimeter oder Meter groß sind, sind Radioteleskope viel größer. Das Green-Bank-Teleskop in West Virginia ist mehr als 300 Fuß breit und in Abbildung 3 zu sehen. Das Arecibo-Teleskop im Dschungel von Puerto Rico hat einen Durchmesser von fast 1.000 Fuß. Sie sehen aus wie gigantische Versionen von Satellitenfernsehschüsseln, funktionieren aber wie normale Teleskope.

Um ein normales Teleskop zu benutzen, richtet man es auf ein Objekt im Weltraum. Das Licht von diesem Objekt trifft dann auf einen Spiegel oder eine Linse, der/die das Licht an einen anderen Spiegel oder eine andere Linse zurückwirft, der/die das Licht wieder zurückwirft und es an Ihr Auge oder eine Kamera sendet.

Wenn ein Astronom ein Radioteleskop auf ein Objekt im Weltraum richtet, treffen Radiowellen aus dem Weltraum auf die Oberfläche des Teleskops. Die Oberfläche – die aus Metall mit Löchern, dem so genannten Mesh, oder aus massivem Metall, wie Aluminium, bestehen kann – wirkt wie ein Spiegel für Radiowellen. Sie prallt an einem zweiten „Radiospiegel“ ab, der sie in einen „Empfänger“ weiterleitet, wie ihn die Astronomen nennen. Der Empfänger macht das, was eine Kamera macht: Er wandelt die Radiowellen in ein Bild um. Dieses Bild zeigt, wie stark die Radiowellen sind und woher sie am Himmel kommen.

Radio Vision

Wenn Astronomen nach Radiowellen suchen, sehen sie andere Objekte und Ereignisse, als wenn sie nach sichtbarem Licht suchen. Orte, die für unsere Augen oder normale Teleskope dunkel erscheinen, leuchten in Radiowellen hell auf. Orte, an denen Sterne entstehen, sind zum Beispiel voller Staub. Dieser Staub blockiert das Licht, so dass die ganze Gegend wie ein schwarzer Fleck aussieht. Aber wenn Astronomen ihre Radioteleskope auf diese Stelle richten, können sie direkt durch den Staub hindurchsehen: Sie können sehen, wie ein Stern geboren wird.

Sterne werden in riesigen Gaswolken im Weltraum geboren. Zuerst klumpt dieses Gas zusammen. Dann wird aufgrund der Schwerkraft immer mehr Gas von dem Klumpen angezogen. Der Klumpen wird immer größer und heißer und heißer. Wenn er groß und heiß genug ist, fängt er an, Wasserstoffatome, die kleinsten Atome, die es gibt, zusammenzuschlagen. Wenn Wasserstoffatome aufeinander prallen, entsteht Helium, ein etwas größeres Atom. Dann wird dieser Gasklumpen zu einem offiziellen Stern. Radioteleskope machen Bilder von diesen Baby-Sternen.

Radioteleskope zeigen auch die Geheimnisse des nächstgelegenen Sterns. Das Licht, das wir von der Sonne sehen, kommt aus der Nähe der Oberfläche, die etwa 9.000oF heiß ist. Aber oberhalb der Oberfläche erreicht die Temperatur 100.000oF. Radioteleskope helfen uns, mehr über diese heißen Teile zu erfahren, die Radiowellen aussenden.

Die Planeten in unserem Sonnensystem haben auch Radiopersönlichkeiten. Radioteleskope zeigen uns die Gase, die um Uranus und Neptun herumwirbeln, und wie sie sich bewegen. Die Nord- und Südpole des Jupiters leuchten in Radiowellen auf. Wenn wir Radiowellen zum Merkur schicken und dann die zurückprallenden Radiowellen mit einem Radioteleskop einfangen, können wir eine Karte erstellen, die fast so gut ist wie Google Earth.

Wenn sie viel weiter weg schauen, zeigen uns Radioteleskope einige der seltsamsten Objekte im Universum. Die meisten Galaxien haben supermassive schwarze Löcher in ihrem Zentrum. Schwarze Löcher sind Objekte, die eine große Masse auf engstem Raum haben. Diese Masse verleiht ihnen so viel Schwerkraft, dass sich nichts, nicht einmal Licht, ihrer Anziehungskraft entziehen kann. Diese schwarzen Löcher verschlingen Sterne, Gas und alles andere, was ihnen zu nahe kommt. Wenn diese unglücklichen Dinge die Schwerkraft des Schwarzen Lochs spüren, drehen sie sich zunächst spiralförmig um das Schwarze Loch. Je näher es kommt, desto schneller und schneller wird es. Über und unter dem Schwarzen Loch bilden sich riesige Strahlen oder Säulen aus elektromagnetischer Strahlung und Materie, die es nicht in das Schwarze Loch schafft (manchmal größer als eine ganze Galaxie breit ist). Radioteleskope zeigen diese Jets in Aktion (Abbildung 4).

Massive Objekte wie diese Schwarzen Löcher verformen das Gefüge des Raums, die sogenannte Raumzeit. Stellen Sie sich vor, Sie legen eine Bowlingkugel, die viel wiegt, auf ein Trampolin. Das Trampolin sackt nach unten. Schweres Zeug im Weltraum lässt die Raumzeit genauso durchhängen wie das Trampolin. Wenn Radiowellen, die von fernen Galaxien kommen, über diese Durchbiegung zur Erde gelangen, verhält sich die Form wie die eines Vergrößerungsglases auf der Erde: Teleskope sehen dann ein größeres, helleres Bild der fernen Galaxie.

Radioteleskope helfen auch, eines der größten Rätsel des Universums zu lösen: Was ist dunkle Energie? Das Universum wird jede Sekunde größer. Und es wird jede Sekunde schneller und schneller größer, weil die „dunkle Energie“ das Gegenteil der Schwerkraft ist: Anstatt alles zusammenzuziehen, drückt sie alles weiter auseinander. Aber wie stark ist die dunkle Energie? Radioteleskope können den Wissenschaftlern bei der Beantwortung dieser Frage helfen, indem sie „Megamaser“ beobachten, die in einigen Teilen des Weltraums natürlich vorkommen. Ein Megamaser ist so etwas wie ein Laser auf der Erde, aber er sendet Radiowellen anstelle des roten oder grünen Lichts aus, das wir sehen können. Wissenschaftler können Megamaser nutzen, um die Details der dunklen Energie zu ergründen. Wenn Wissenschaftler herausfinden können, wie weit diese Megamaser entfernt sind, können sie sagen, wie weit verschiedene Galaxien entfernt sind, und dann können sie herausfinden, wie schnell sich diese Galaxien von uns wegbewegen.

Ein kompletter Werkzeugkasten

Wenn wir nur Teleskope hätten, die sichtbares Licht auffangen, würde uns ein großer Teil des Geschehens im Universum entgehen. Stellen Sie sich vor, ein Arzt hätte nur ein Stethoskop als Werkzeug. Sie könnten eine Menge über den Herzschlag des Patienten erfahren. Aber sie könnten noch viel mehr erfahren, wenn sie auch ein Röntgengerät, ein Ultraschallgerät, ein MRT-Gerät und einen CT-Scanner hätten. Mit diesen Geräten könnten sie sich ein vollständigeres Bild davon machen, was im Körper des Patienten vor sich geht. Astronomen verwenden Radioteleskope zusammen mit Ultraviolett-, Infrarot-, optischen, Röntgen- und Gammastrahlenteleskopen aus dem gleichen Grund: um ein vollständiges Bild von den Vorgängen im Universum zu erhalten.

Glossar

Elektromagnetisches Spektrum: Das sichtbare Licht, das wir sehen können, ist nur ein winziger Teil des „elektromagnetischen Spektrums“. Das sichtbare Licht besteht aus Photonen mit mittlerer Energie. Photonen mit mehr Energie sind ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen (Gammastrahlen haben die meiste Energie). Photonen mit weniger Energie sind Infrarot- und Radiowellen (Radiowellen haben die geringste Energie).

Photonen: Licht besteht aus Teilchen, die Photonen genannt werden und sich in Wellen bewegen.

Wellenlänge: Die Größe der Welle, in der sich ein Photon bewegt.

Frequenz: Die Anzahl der Lichtwellen, die in einer Sekunde an einem Punkt vorbeiziehen.

Hertz: 1 Hz bedeutet, dass eine Welle in einer Sekunde an einem Punkt vorbeizieht. Ein Megahertz bedeutet, dass eine Million Wellen pro Sekunde vorbeiziehen.

Empfänger: Der Teil eines Radioteleskops, der die Radiowellen aufnimmt und sie in ein Bild umwandelt.

Dunkle Energie: Die dunkle Energie wirkt wie das Gegenteil der Schwerkraft und drückt alles im Universum weiter auseinander.

Megamaser: Ein natürlicher Laser im Weltraum, der Radiowellen aussendet, anstatt rotes oder grünes Licht, wie es von einem Laserpointer kommt.

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