Hubble Teleskop

Seit 1990 ist das Hubble Teleskop im Erdorbit und erforscht Galaxien, Sterne und Planeten in den unendlichen Weiten des Weltalls. In diesen mehr als 30 Jahren hat es zu zahlreichen wichtigen Erkenntnissen auf dem Gebiet der Astronomie beigetragen.
Dazu gehören unter anderem die Entdeckung oder Bestätigung von Tausenden von Galaxien, Sternensystemen und Exoplaneten. Auch das Wissen über den Urknall sowie über die Entstehung von Galaxien, Planeten und Sternen hat das Teleskop deutlich erweitert.

Dabei sah es nach dem Start im April 1990 zunächst so aus, als ob das bis dahin teuerste Teleskop der Welt aufgrund eines fehlerhaften Spiegels nicht korrekt fokussieren und deshalb nur unscharfe Bilder produzieren würde. Doch durch eine Space Shuttle Mission im Jahr 1993 konnte dieser Fehler korrigiert werden.

Seitdem liefert das Hubble Teleskop bereits seit über 25 Jahren viele einzigartige Aufnahmen in einmaliger Auflösung. Die durch Hubble gemachten Entdeckungen und Fortschritte im Bereich Astronomie sind gewaltig.
In diesem Artikel geben wir einen Überblick über die Geschichte des bisher erfolgreichsten Weltraumteleskops. Und wir fassen die wichtigsten Entdeckungen zusammen, die durch das Hubble Teleskop möglich wurden.

Hubble Teleskop: Technische Daten

Position: Das Weltraumteleskop befindet sich in einem Orbit um die Erde. In etwa 545 bis 550 km Höhe umkreist es die Erde ungefähr alle 96 Minuten. Die Position im Erdorbit ermöglicht eine vergleichsweise einfache Wartung des Teleskops. Tatsächlich sind bereits mehrere Missionen erfolgt, durch die das Hubble Teleskop verbessert und erweitert werden konnte, siehe hierzu die Kapitel Probleme mit dem Spiegel und Neue Instrumente.

Spiegel: Hubble verfügt über einen Spiegel mit etwa 2,4 Metern Durchmesser. Das Teleskop misst Licht im ultravioletten und sichtbaren Bereich (UV,VIS) und einige wenige Wellenlängen im nahen Infrarotbereich (NIR).
Mit diesem Spektralbereich kann Hubble Licht von Sternen messen, die 12,5 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Das bedeutet, Hubble empfängt Licht, welches bis zu 12,5 Milliaden Jahre im Weltall unterwegs war. Dadurch kann Hubble praktisch in die Vergangenheit der Milchstraße und anderer Galaxien schauen.

Energieversorgung: Hubble besitzt 4 große Solarpaneels, siehe Bild oben. Diese produzieren genügend Energie, um die wissenschaftlichen Instrumente und Computer an Bord mit Strom zu versorgen.
Allerdings hält sich Hubble auf jedem Orbit um die Erde etwa 25 Minuten im Schatten der Erde auf. Dann können die Solarzellen keine Energie produzieren. Deshalb befinden sich auch 6 Nickel-Wasserstoff Batterien an Bord, die während der Lichtseite des Orbits aufgeladen werden.

Geschichte des Hubble Teleskops

Idee, Planung und Finanzierung

Die Idee geht vor allem auf den Amerikaner Lyman Spitzer zurück, nach dem später das Spitzer-Teleskop benannt wurde. Schon im Jahr 1946 schlug Spitzer ein Weltraumteleskop im Erdorbit vor. Später setzte er sich dann viele Jahre lang für die Durchführung des Projektes ein.

1977 beginnen NASA und ESA damit, diese Idee umzusetzen und entwickeln den Finanzierungsplan für das Hubble Teleskop. Dieses sollte zunächst einen 3 Meter großen Spiegel bekommen, welcher dann später aus finanziellen Gründen auf 2,4 Meter verkleinert wurde.
Das Hubble Teleskop wird von den Weltraumorganisationen NASA und ESA gemeinsam betrieben. Dabei hat die ESA vor allem den Bau der Solarzellen finanziert.

Fertigstellung

Der Spiegel wurde 1981 fertiggestellt, das ganze Teleskop war bereits1985 fertig. Der Start des Teleskops sollte durch eine Space Shuttle Mission erfolgen, dies gelang aber erst 1990. Hauptgrund für die Verschiebung war das Challenger Unglück 1986, bei dem alle 7 Astronauten an Bord des Space Shuttles starben.

Start

Der Start des Hubble Space Teleskops (HST) erfolgte am 24. April 1990 vom Kennedy Space Center in Florida, USA. Mit der Mission STS-31 des Space Shuttles Discovery wurde HST in einen Erdorbit befördert, etwa 545 km über dem Boden.

Der Start des Weltraumteleskops, die Aussetzung in den Orbit und auch die Aktivierung des Teleskops von der Bodenstation aus verliefen erfolgreich. Dennoch mussten die Wissenschaftler der NASA schon bald feststellen, dass die vom Teleskop produzierten Bilder unscharf und dadurch unbrauchbar waren.

Das Spiegel Problem

Schon kurz nachdem sich das Teleskop im Orbit befand, wurde bemerkt, dass die vom Teleskop angefertigten Bilder nicht optimal fokussiert waren. Wissenschaftler konnten wenige Wochen später feststellen, dass am Hauptspiegel ein kleiner, aber bedeutender Fehler war: Der Rand des Spiegels war wenige Bruchteile eines Millimeters (ca. 2 Mikrometer) zu flach.
Doch selbst diese kleine Ungenauigkeit führte dazu, dass das Teleskop nicht korrekt fokussieren und deshalb auch keine nutzbaren Messungen machen konnte.

Nachdem die NASA die Ursache für den Fehler gefunden hatte, entwickelten Wissenschaftler eine Möglichkeit zur Korrektur des Fehlers. Eine Optik wurde berechnet, welche die Ungenauigkeit des Spiegels ausgleichen konnte: das COSTAR-Spiegelsystem (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement).

Im Dezember 1993 flogen dann 7 Astronauten mit dem Space Shuttle Endeavour zum Hubble Teleskop. In dieser ersten Wartungsmission (Servicing Mission SM1 bzw. STS-61) wurde das Korrektursystem COSTAR eingebaut. Das Gerät wurde in den Strahlengang zwischen dem Spiegel und den Instrumenten eingesetzt.

Während der gleichen Wartungsmission tauschten die Endeavour Astronauten auch die Solarpanels des Teleskops aus und die Wide Field Camera wurde durch eine neuere Version ersetzt, siehe hierzu das Kapitel Hubble Teleskop Instrumente.

Nach dieser Korrektur funktionierte Hubble einwandfrei und lieferte Bilder in einzigartiger Auflösung. Später konnte das COSTAR wieder ausgebaut werden, weil die neueren Instrumente an Bord den Fehler des Hauptspiegels bereits ausgleichen können.

Hubble Teleskop Instrumente

An Bord von Hubble ist Platz für 5 wissenschaftliche Instrumente. Diese wurden während der langen Betriebsdauer des Teleskops teilweise ausgetauscht. Dafür erfolgten im Laufe der Jahre 1993 bis 2009 insgesamt 5 Service-Missionen durch Space Shuttles. Aktuell sind keine weiteren Service-Missionen geplant.

Zurzeit befinden sich diese 5 wissenschaftlichen Instrumente an Bord des Hubble Teleskops:

• ACS (Advanced Camera for Surveys): seit 2002
• COS (Cosmic Origins Spectrograph): seit 2009
• STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph): seit 1997, von 2004 bis 2009 nicht in Betrieb
• WFC3 (Wide Field Camera 3): seit 2009
• NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer): seit 1997, außer Betrieb seit 2008

Zusätzlich an Bord ist der Fine Guidance Sensor (FGS), welcher eine genaue Ausrichtung des Teleskops ermöglicht. Auch astrometrische Messungen können mit dem FGS durchgeführt werden.

Das folgende Bild zeigt einen Vergleich der drei Versionen der Wide Field Camera, welche auf dem Hubble Teleskop zum Einsatz kamen. Durch den Austausch von WFPC1 zu WFPC2 in 1993 und zu WFC3 in 2009 wurde die Qualität der Messungen deutlich sichtbar verbessert.

Hubble Teleskop Highlights

In über 30 Jahren hat das Hubble Teleskop viele interessante Entdeckungen gemacht und zahlreiche atemberaubende Bilder produziert. Mehr als 1 Million astronomische Aufnahmen wurden in der Zeit angefertigt und die Hubble Daten wurden in über 10.000 wissenschaftlichen Publikationen genutzt.

Eine Reihe von neuen astronomischen Erkenntnissen wurde durch die Messungen des Weltraumteleskops ausgelöst:

• So hat Hubble insbesondere zu Fortschritten auf dem Gebiet der Entstehung von Galaxien und Sternen beigetragen.
• Zusammen mit den Teleskopen SPITZER und TESS hat Hubble mehr als 3.000 Exoplaneten entdeckt oder bestätigt.
• Durch Hubble wurde auch die erste direkte Abbildung eines Exoplaneten möglich
• Und die erste spektroskopische Untersuchung der Atmosphäre eines Exoplaneten gelang mit Hubble Daten.
• Auch in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, und im Sonnensystem hat Hubble noch viele neue Entdeckungen machen können,

Im Folgenden geben wir einen Überblick der wichtigsten Ergebnisse, die mit den Hubble Teleskop möglich gemacht wurden.

Hubble Deep Field

Im Dezember 1995 untersucht das Teleskop für ungefähr 10 Tage einen sehr kleinen Bereich nahe der Sternenkonstellation Ursa Major (Großer Bär bzw. Großer Wagen). Für das Auge und nach allen damaligen Beobachtungen befand sich in diesem Teil des Nachthimmels nur die absolute Leere des Weltalls. Das Gebiet war im Vergleich ungefähr so groß, wie der Kopf einer Stecknadel in der Entfernung einer Armlänge erscheint.

Warum untersuchte das Hubble Teleskop ein anscheinend leeres Gebiet im Weltall? Das erstaunliche (aber von den Hubble Wissenschaftlern vermutete) Ergebnis der 10-tägigen Messung war: In diesem extrem kleinen und scheinbar vollkommen leeren Bereich des Weltalls befinden sich mehr als 3.000 Galaxien.

Erst durch die lange Beobachtungsdauer von über 10 Tagen und durch die einmalige Auflösung des Hubble Teleskops konnten diese Galaxien in einem scheinbar absolut leeren Gebiet des Universums sichtbar gemacht werden.

Einige der Galaxien sind über 12 Milliarden Lichtjahre weit entfernt. Damit gehören sie zu den entferntesten Objekten, die zum damaligen Zeitpunkt gemessen werden konnten.
Durch diese weite Entfernung schaut Hubble auch gleichzeitig in die Vergangenheit: Das Licht benötigte mehr als 12 Milliarden Lichtjahre, um zur Erde bzw. zum Hubble Teleskop im Erdorbit zu gelangen. Wir sehen die Galaxien also so, wie sie vor über 12 Milliarden Lichtjahren, nur einige Hundert Millionen Jahre nach dem Urknall, aussahen.

Andere Galaxien im Deep Field sind näher und damit auch älter und in der Evolution von Galaxien weiter fortgeschritten. So ermöglicht Hubble die Erforschung von verschiedenen Stadien in der Entstehung von Galaxien.

Das Hubble Deep Field ist auch nach über 25 Jahren immer noch eine der wichtigsten Entdeckungen in der modernen Astronomie. Damit hat das Hubble Teleskop das Wissen über Galaxien und die Entstehung des Universums ähnlich revolutioniert wie das Mikroskop das Wissen über Bakterien und Mikroorganismen.

Die entferntesten Galaxien

Die Galaxien im Hubble Deep Field sind über 12 Milliarden Lichtjahre von der Erde und dem Hubble Teleskop entfernt. Doch Hubble gelangen in der Folge mehrere Messungen von noch weiter entfernten Galaxien. So hat Hubble den Rekord der entferntesten Galaxie bereits mehrmals neu aufgestellt:

• 2011 konnte das Hubble-Teleskop die Zwerggalaxie MACS0647-JD messen. Diese befindet sich in einer Entfernung von etwa 13,26 Milliarden Lichtjahren. Das Licht benötigte also 13,26 Milliarden Jahre, um das Teleskop zu erreichen. Damit sehen wir die Galaxis so, wie so vor mehr als 13,2 Milliarden Jahren war, also nur 427 Millionen Jahre nach dem Big Bang (etwa vor 13,8 Milliarden Jahren).
• 2017 hat Hubble die Galaxie GN-z11 im Sternbild Ursa Major (Großer Bär) entdeckt. Diese hat eine Entfernung von 13,4 Milliarden Lichtjahren. Die Galaxie erscheint in den Hubble Messungen also in dem Zustand, wie sie nur 400 Millionen Jahre nach dem Urknall aussah.

Für beide Messungen konnten die Hubble Wissenschaftler einen besonderen Effekt nutzen, der ähnlich wie ein Zoom wirkt. Die PositIon der Galaxien sorgt für einen starken Gravitationslinseneffekt: Massereiche Galaxien im Vordergrund lenken durch ihre Schwerkraft das Licht der Galaxien weiter im Hintergrund stark ab.
Das Licht der beobachteten, entfernten Galaxien wird dadurch gebündelt und um den Faktor 8 verstärkt. Nur durch den Gravitationslinseneffekt kann Hubble so weit entfernte Galaxien und Sterne messen.

Der Nachfolger des Hubble Teleskops, das James-Webb-Teleskop, hat inzwischen noch weiter entfernte Galaxien gemessen. Dies ist vor allem durch die besseren Messungen im infraroten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums möglich.

QUELLEN
https://de.wikipedia.org/wiki/Hubble-Weltraumteleskop
https://de.wikipedia.org/wiki/Hubble_Deep_Field
R. E. Williams et al. (1996): The Hubble Deep Field: Observations, data reduction, and galaxy photometry, Astronomical Journal, 1996, Bd. 112, S. 1335, https://doi.org/10.1086/118105
A. J. Connolly et al. (1997): The evolution of the global star formation history as measured from the Hubble Deep Field, Astrophysical Journal Letters, 1997, Bd. 486, S. 11, https://doi.org/10.1086/310829
https://iopscience.iop.org/article/10.1086/430528
https://de.wikipedia.org/wiki/GN-z11