Wir schauen in das frühe Universum

Am Ende des Baus von drei Riesenteleskopen können sie die moderne Astrophysik komplett verändern

Computergeneriertes Bild des „ Giant Magellanic Telescope “, eines von drei „extrem großen Teleskopen“, das voraussichtlich in den nächsten 10 Jahren fertiggestellt sein wird. Sie werden groß genug sein, um die ersten Objekte des Universums zu betrachten.

Die ältesten und am sorgfältigsten gehüteten Geheimnisse des Universums, von der dunklen Materie bis zur Form des Universums unmittelbar nach dem Urknall, können bald enthüllt werden - schließlich befinden sich drei „extrem große Teleskope“ im Bau, deren Größe jeweils die Größe eines Basketballplatzes überschreiten wird.

Wissenschaftler hoffen, dass diese Teleskope, deren Fertigstellung in den nächsten zehn Jahren erwartet wird, ihnen helfen werden, das frühe Universum zu betrachten, das von einem einheitlichen, heißen und undurchsichtigen Zustand in einen kalten und strukturierten Zustand übergeht, in dem sich die Materie in Objekten zu konzentrieren beginnt und Licht freisetzt, indem es in sie gesendet wird Raumfahrt.

„Wir sprechen über das Intervall von 100 Millionen bis 500 Millionen Jahren nach dem Beginn des Universums. Zu dieser Zeit tauchten erstmals die ersten Sterne, chemischen Elemente, Schwarzen Löcher und andere exotische Dinge auf “, sagt Gerry Gilmore, Astronom an der Universität von Cambridge.

Riesige Teleskope blicken in die Vergangenheit auf das erste Licht, das von Objekten ausgestrahlt wird. Bald nach dem Urknall schwoll das Universum an wie die Oberfläche eines Balls, und einige Orte waren so weit von uns entfernt, dass ihre ersten Lichtblitze erst jetzt kamen. Wenn Sie dieses Licht betrachten, können Sie die Struktur und chemische Zusammensetzung der ersten Objekte des Universums herausfinden, die, wie vage Fotos, die vom Weltraumteleskop aufgenommen wurden, auf sie hinweisen. Hubble, viel früher gebildet als Theorien vorhersagen. Verbesserte Beobachtungen können zu neuen Theorien über die Geburt und Entwicklung des Universums führen, sagt Gilmore.


Computergeneriertes Bild des "European Extremely Large Telescope" in der Atacama-Wüste, Chile. Das 39,3-Meter-E-ELT wird das größte der drei Teleskope der nächsten Generation sein.

Neue Teleskope mit Kosten von jeweils 900 bis 1,6 Milliarden US-Dollar, das riesige Magellan-Teleskop (GMT), das 30-Meter-Teleskop (TMT) und das europäische Extrem-Großteleskop (E-ELT) - die Durchmesser segmentierter Spiegel, die 24,5 m, 30 m erreichen und 39,3 m werden moderne Teleskope deutlich übertreffen (der Spiegeldurchmesser des größten der vorhandenen Teleskope beträgt 10,4 m). Ihre Leistung wird die moderne je nach Teleskop und Aufgabe um das 5- bis 200-fache übertreffen.

Universitäten, Regierungsbehörden und andere wissenschaftliche Organisationen auf der ganzen Welt finanzieren ihre ausgewählten Projekte im Austausch für die Möglichkeit, das Teleskop in Zukunft zu verwenden, erklärt Patrick McCarthy, Astronom am Carnegie Institute Observatories in Kalifornien und Direktor des GMT-Projekts. Und der Besitz eines Teils der Nutzungszeit wird sich in Zukunft auf das Ansehen der Institution auswirken, wie Astronomen, die nicht mit diesen Projekten verbunden sind, sagen. "Wenn Sie keine solche Gelegenheit haben, müssen Sie sich etwas Eigenes einfallen lassen, um mit der Konkurrenz mithalten zu können", sagte McCarthy.

Drei Projekte suchen weiterhin nach Investoren und nähern sich schrittweise den frühen Bauphasen. Die Ingenieure des Gasturbinentriebwerks haben die Oberfläche eines Berges in Chile geebnet und vier der sieben Spiegel gegossen. Die TMT- und E-ELT-Projekte (die in Hawaii bzw. Chile gebaut werden sollen) stellen Testspiegel her. Alle drei Gruppen begannen mit der Entwicklung von Werkzeugen.

Ähnliche Baupläne sollten zu Wettbewerben führen, aber obwohl jedes Teleskop seine einzigartigen Eigenschaften aufweist, geht es nicht darum, wer zuerst einschaltet. "Es gibt Raum für viele Entdeckungen in unserer Umgebung. Wenn Sie also drei Jahre zu spät kommen, bedeutet dies nicht, dass Sie eine Milliarde Dollar verloren haben", sagte David Silva, Direktor des Nationalen Optischen Astronomischen Observatoriums in Tucson, Arizona. Es wird von der National Science Foundation finanziert, die mit TMT über eine mögliche Zusammenarbeit spricht.


Bild des Planetensystems HR8799 mit einem Stern und vier Planeten, 129 Lichtjahre von uns entfernt, aufgenommen vom Keck-Observatorium in Hawaii.

Teleskope werden stark genug sein, um persönlich die Unordnung und den Andrang anderer Welten mitzuerleben. „Wir haben gerade ein Gebiet der Wissenschaft wie das Studium von Exoplaneten berührt und es wird mit dem Aufkommen dieser Teleskope heftig blühen“, sagt Roger Angel, ein Astronom der Arizona University, der die Herstellung von Spiegeln für GMT überwacht.

Teleskope verfolgen Spektrumänderungen im Zusammenhang mit saisonalen Änderungen - und damit der aktiven Atmosphäre - von Planeten, die in Umlaufbahnen um andere Sterne folgen. Sie können sogar chemische Anzeichen für die Existenz von außerirdischem Leben hervorrufen. "Wir erwarten, dass die biochemischen Zeichen des außerirdischen Lebens ziemlich universell sind", sagt McCarthy. Während der Curiosity Rover nach solchen Zeichen sucht und in den Marsboden eintaucht, „werden wir dasselbe für extrasolare Planeten tun, aber aus der Ferne Spektroskopie verwenden“, erklärt er.

Die Fähigkeit, die Bildung einer Galaxie zu beobachten und zu beobachten, wie sich Materie im Weltraum ansammelt, wird dazu beitragen, die Eigenschaften von Partikeln der dunklen Materie aufzudecken - eine unsichtbare Substanz, die 84% aller Materie im Universum ausmacht.

Wissenschaftler beobachten die extremsten Orte des Universums - die Ränder supermassiver Schwarzer Löcher - und planen, die Gesetze der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik mit beispielloser Genauigkeit zu überprüfen. "Wir werden nach der Strahlung suchen, die von der Vernichtung von Sternen während des Absorptionsprozesses durch ein Schwarzes Loch ausgeht", sagte Gilmore. "Der Weg der Photonen in konstanten Intervallen oder in Gruppen wird uns über die Struktur der Raumzeit um Schwarze Löcher informieren." Bisher waren solche Beobachtungen nicht möglich, "weil Sie das Schwarze Loch sehr klar sehen müssen und damit es eine extrem große Auflösung hat".


Moderne Teleskope verfügen über eine laseradaptive Optik, um Bildunschärfen aufgrund der Atmosphäre zu vermeiden

Zukünftige Teleskopkonstruktionen basieren auf einer Technologie namens adaptive Optik, die die Verzerrungen beseitigt, die Licht in den Turbulenzen der Erdatmosphäre erfährt. „Mit einem Laser zeichnen Sie einen künstlichen Stern in den Himmel und verwenden ihn dann als Basis für die Erkennung von Turbulenzen in der Sichtlinie des Teleskops“, erklärt Silva. Dutzende Male pro Sekunde werden Turbulenzmessungen verwendet, um Tausende von Aktuatoren zu bewegen, die mit flexiblen Spiegeln im Teleskop verbunden sind, ihre Form ändern und atmosphärische Verzerrungen aufheben. Adaptive Optiken werden bereits in kleinen Observatorien eingesetzt, darunter die Keck 10-Meter-Teleskope in Hawaii. Die Aufgabe, eine solche Technologie für Teleskope mit einem Durchmesser von 2 bis 4 mal größer anzupassen, "steht bei der Echtzeitberechnung an vorderster Front", sagte Silva.

Wenn die Technologie ordnungsgemäß funktioniert, unterscheiden GMT, TMT und E-ELT zwischen optischem und nahem Infrarotlicht - den häufigsten Arten elektromagnetischer Strahlung im Universum - als würden sie in die Umlaufbahn gebracht. Das James Webb-Weltraumteleskop , das 2018 mit einer fünfjährigen Mission im Wert von 8 Milliarden US-Dollar in die Umlaufbahn kommen soll, wird die Arbeit dieser Observatorien mit größerer Empfindlichkeit im mittleren und fernen Infrarotbereich ergänzen. Weltraumteleskope sind jedoch normalerweise kleiner, teurer und weniger lebendig.

"Es wird nicht überraschen, dass die produktive wissenschaftliche Betriebszeit dieser Teleskope 50 Jahre betragen wird", sagte Silva.

In dieser Zeit können drei Teleskope das Gebiet der Astronomie, Physik und Kosmologie verändern. Zusätzlich zu den geplanten Experimenten hoffen die Wissenschaftler auf einige unvorhergesehene Überraschungen, die die Paradigmen ändern. Wie in der vergangenen Generation entdeckten 4-Meter-Teleskope, dass eine mysteriöse Substanz namens Dunkle Energie im Universum dominiert. Nach dem Start der neuen Teleskope, sagt McCarthy, "werden wir für eine Weile nur einen leeren Abschnitt des Himmels genau betrachten und sehen, was noch niemand zuvor gesehen hat."