Das Rendering dieses Künstlers zeigt eine Nachtansicht des extrem großen Teleskops, das auf Cerro Armazones im Norden Chiles in Betrieb ist. Das Teleskop wird mit Lasern gezeigt, um künstliche Sterne hoch in der Atmosphäre zu erzeugen. (ESO / L. Calçada)

5 Gründe, warum Astronomie vom Boden aus besser ist als im Weltraum

1990 wurde das Hubble-Weltraumteleskop auf den Markt gebracht, was zu einer Revolution in der Astronomie führte. Aber für viele Zwecke ist die Erde immer noch der beste Ort.

Wenn Sie darüber nachdenken, was sich da draußen im Abgrund des Weltraums befindet, ob Sie auf die Planeten in unserem Sonnensystem oder auf die entferntesten Galaxien im Universum schauen, denken die meisten Menschen daran, die besten Bilder und Daten zu verwenden ist das Hubble-Weltraumteleskop. Hunderte von Kilometern über der Erdatmosphäre liegen Probleme wie Wolken, atmosphärische Verzerrungen, turbulente Luft oder sogar Umweltverschmutzung. Die Bilder sind so scharf, wie es die Kameras und die Optik an Bord zulassen, und von seiner Position außerhalb der Welt aus kann sie in jede gewünschte Richtung schauen. Wir haben damit Wunder gesehen, wie wir sie uns nie vorgestellt haben. Hubble hat uns gezeigt, wie das Universum wirklich aussieht.

Dieses Bild vergleicht zwei Ansichten der Schöpfungssäulen des Adlernebels, die mit Hubble im Abstand von 20 Jahren aufgenommen wurden. Das neue Bild links erfasst fast genau dieselbe Region wie 1995 rechts. Das neuere Bild verwendet jedoch Hubbles 2009 installierte Weitfeldkamera 3, um das Licht von glühendem Sauerstoff, Wasserstoff und Schwefel klarer zu erfassen. Mit beiden Bildern können Astronomen untersuchen, wie sich die Struktur der Säulen im Laufe der Zeit verändert, und eines der besten Beispiele dafür zeigen, was wir durch Astronomie im Weltraum lernen können. (WFC3: NASA, ESA / Hubble und das Hubble Heritage Team WFPC2: NASA, ESA / Hubble, STScI, J. Hester und P. Scowen (Arizona State University))

Und doch gibt es Dinge, die wir vom Boden aus tun können und die unbestreitbar allem überlegen sind, was wir vom Weltraum aus tun können. Es gibt Bilder, die wir erstellen können, und Daten, die wir sammeln können, die aus dem Weltraum einfach nicht möglich sind. Ob wir Bodenteleskope, Ballonobservatorien oder sogar Höhenflugzeuge verwenden, es gibt viele gute Gründe, hier auf der Erde zu bleiben. Sicher, über die Atmosphäre zu fliegen und die omnidirektionale Perspektive zu erhalten, die der Weltraum bietet, ist ein klarer Sieg für die Liebhaber des Weltraumteleskops. Adaptive Optik oder ein unberührter Beobachtungsort können auf keinen Fall mit einem Observatorium konkurrieren, mit dem die Erde nicht zu kämpfen hat. Es gibt jedoch einige sehr zwingende Gründe, Astronomie vor Ort zu betreiben, da es Vorteile gibt, die Sie verlieren, sobald Sie in den Weltraum fliegen. Hier sind die Top 5.

Die wissenschaftlichen Instrumente an Bord des ISIM-Moduls werden 2016 abgesenkt und in die Hauptbaugruppe von JWST eingebaut. Diese Instrumente waren Jahre zuvor fertiggestellt und werden frühestens 2019 zum ersten Mal eingesetzt. (NASA / Chris Gunn)

1.) Die Weltraumteleskoptechnologie ist bereits vor dem Start veraltet. Um ein Weltraumteleskop zu starten, müssen Sie entscheiden, was Sie damit versuchen möchten, Ihre Instrumente entwerfen und bauen, sie an Bord des Observatoriums integrieren und dann starten. Für eine Mission wie das James Webb Space Telescope war das Design seiner Instrumente zu Beginn des Jahrzehnts abgeschlossen. In ein heute gebautes Instrument wären ungefähr sieben Jahre überlegener Technologie integriert. Die Wartung eines Teleskops im Weltraum ist kostspielig, riskant und in einigen Fällen (z. B. wenn sich Ihr Teleskop außerhalb der Reichweite eines Raumfahrzeugs mit Besatzung befindet) praktisch unmöglich. Aber wenn Ihr Observatorium vor Ort ist? Nehmen Sie einfach das alte Instrument heraus und das neue ein, und Ihr altes Teleskop ist wieder auf dem neuesten Stand der Technik, bis an die Grenzen seines optischen Designs.

Das 25-Meter-Riesen-Magellan-Teleskop befindet sich derzeit im Bau und wird das größte neue bodengestützte Observatorium der Erde sein. Die Spidararme, die den Sekundärspiegel an Ort und Stelle halten, sind speziell so konstruiert, dass ihre Sichtlinie direkt zwischen die engen Lücken in den GMT-Spiegeln fällt. Dies ist das kleinste der drei vorgeschlagenen Teleskope der 30-Meter-Klasse und größer als jedes weltraumgestützte Observatorium, das überhaupt konzipiert wurde. Es sollte bis Mitte der 2020er Jahre abgeschlossen sein. (Riesenmagellan-Teleskop / GMTO Corporation)

2.) Sie können auf dem Boden ein größeres Observatorium bauen als im Weltraum. Ich kann Ihren Einwand bereits hören: Wenn Sie nur genug Geld dafür ausgeben, können Sie ein so großes Teleskop starten, wie Sie möchten. Das stimmt, aber nur bis zu einem gewissen Punkt. Insbesondere bis zu dem Punkt, an dem Ihr weltraumgestütztes Observatorium in die Rakete passen muss, die es startet! Das Hubble-Weltraumteleskop hat nur einen Durchmesser von 2,4 Metern. Das größte Weltraumteleskop, das jemals geflogen ist, ist Herschel von der ESA mit 3,5 Metern. James Webb wird aufgrund seines segmentierten Designs größer sein, aber jedes gefaltete Segment muss an Bord der Rakete passen, die es starten wird. Selbst in den Träumen der NASA erreicht das LUVOIR-Weltraumteleskopkonzept einen Durchmesser von 15,1 Metern. Vor Ort gibt es jedoch weder Größen- noch Gewichtsbeschränkungen, und drei unabhängige Teleskope der 30-Meter-Klasse werden entworfen und gebaut: das GMTO, das ELT und das TMT. Im Radio können wir noch größer werden, wie Einrichtungen wie Arecibo und FAST gezeigt haben. In der Astronomie zählt die Größe!

Der Start der 82. erfolgreichen Mission von Ariane 5 in Folge in Französisch-Guayana am 12. Dezember 2017. Dieser Flug, VA240, sollte repräsentativ für das sein, was JWST beim Start im Jahr 2019 sieht. Möge er erfolgreich sein; Für Weltraumstarts erhalten wir nur eine Chance. (Arianespace)

3.) Sie müssen sich nie um einen Startfehler sorgen. Haben Sie schon einmal vom Orbiting Carbon Observatory der NASA gehört, mit dem untersucht werden soll, wie sich CO2 aus dem Weltraum durch die Atmosphäre bewegt? Wahrscheinlich nicht, da sich der Satellit in den ersten Minuten des Starts nicht von der Rakete trennen konnte. Die gesamte Raketen- und Raumfahrzeugbaugruppe stürzte nur 17 Minuten nach dem ersten Start in den Ozean. Die Rakete, mit der das James Webb-Weltraumteleskop Ariane 5 gestartet wird, hatte 82 Starterfolge in Folge, bevor sie vor zwei Monaten teilweise ausfiel. Viele Weltraummissionen sind aufgrund eines Fehlers beim Start, Einsatz oder Einsetzen in die Umlaufbahn zu einem düsteren Ende gekommen. Sobald Sie gestartet sind, ist es praktisch unmöglich, einen Ausfall eines Raumfahrzeugs zu korrigieren, sobald etwas schief geht. Vom Boden aus wird das niemals passieren.

Erstes Licht am 26. April 2016 der 4 Laser Guide Star Facility (4LGSF). Dieses fortschrittliche adaptive Optiksystem bietet einen enormen Fortschritt vom Boden aus, ist jedoch ein Beispiel für die fantastische Infrastruktur, die vom Boden aus gebaut, gewartet, abgerufen, repariert oder ersetzt werden kann. (ESO / F. Kamphues)

4.) Die bodengestützte Infrastruktur ist allem, was Sie im Weltraum haben, weit überlegen. Möchten Sie Ihr Raumschiff kühl halten? Bringen Sie besser das gesamte Kühlmittel mit, das Sie für die Dauer der Mission benötigen, und / oder hoffen Sie, dass Ihr passives Kühlsystem niemals beschädigt wird. Müssen Sie sich vor der Sonne schützen? Stellen Sie sicher, dass Sie immer in die richtige Richtung zeigen, und hoffen Sie, dass Ihre Gyroskope niemals ausfallen. Haben Sie eine optische Komponente, die sich verschlechtert, ausfällt oder einen Fehler aufweist? Im Weltraum stecken Sie fest mit dem, was Sie haben. Vor Ort können Sie jedoch extravagante Wartungseinrichtungen vor Ort haben. Ein fehlerhafter, verschmutzter oder beschädigter Spiegel kann ausgetauscht werden. Infrarot-Teleskope können unbegrenzt gekühlt werden; Reparaturen können von Menschenhand in Echtzeit durchgeführt werden; Neue Teile und Personen können jederzeit versandt werden. Es ist eine bemerkenswerte Leistung, dass Hubble fast 30 Jahre gedauert hat, aber es hat mehrere Wartungsmissionen (und etwas Glück) gekostet, um dies zu erreichen. Vor Ort sind Teleskope, die ein halbes Jahrhundert alt sind, immer noch auf dem neuesten Stand der Wissenschaft. Es gibt keinen Wettbewerb.

Stratosphärisches Observatorium der NASA für Infrarotastronomie (SOFIA) mit offenen Teleskoptüren. Diese gemeinsame Partnerschaft zwischen der NASA und der deutschen Organisation DLR ermöglicht es uns, ein hochmodernes Infrarot-Teleskop an jeden Ort auf der Erdoberfläche zu bringen und Ereignisse zu beobachten, wo immer sie auftreten. (NASA / Carla Thomas)

5.) Auf der Erde können Sie von jedem beliebigen Ort aus beobachten. Sobald Ihr Observatorium in den Weltraum geht, legen die Schwerkraft und die Bewegungsgesetze zu jedem Zeitpunkt genau fest, wo sich das Raumschiff befinden wird. Viele astronomische Kuriositäten sind von überall zu sehen, aber es gibt einige spektakuläre Ereignisse, bei denen Sie sich zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort befinden müssen. Bedeckungen sind ein extremes Beispiel dafür, wo ein entferntes, kleines Objekt im Sonnensystem vor einem Hintergrundstern vorbeikommt, jedoch nur für einen kurzen Moment an einem bestimmten Ort. Neptuns Mond Triton und New Horizons erstes Post-Pluto-Ziel, MU69, waren beide okkulte Hintergrundsterne, wobei Triton dies regelmäßig tat. Weltraumteleskope hatten noch nie das Glück, diese zu fangen, aber dank mobiler Observatorien wie der SOFIA der NASA haben wir gelernt, wie sich die Atmosphäre von Triton mit den Jahreszeiten ändert, und wir haben sogar einen kleinen Mond um MU69 entdeckt! Da wir nicht alle Eier in den Teleskopkorb legen, können wir die einzigartige Wissenschaft betreiben, die das Licht, das in unserer Welt ankommt, ermöglicht.

Auf dem Gipfel des Mauna Kea befinden sich viele der fortschrittlichsten und leistungsstärksten Teleskope der Welt. Dies ist auf eine Kombination aus der äquatorialen Lage von Mauna Kea, der Höhenlage, der Qualität des Sehens und der Tatsache zurückzuführen, dass es sich im Allgemeinen, aber nicht immer, über der Wolkenlinie befindet. (Zusammenarbeit mit Subaru Telescope)

Als Bonus können die beiden Hauptvorteile des Weltraums mit den richtigen technologischen Innovationen vom Boden aus effektiv ausgeglichen werden. Durch den Bau unserer Observatorien in sehr großer Höhe an Orten, an denen sich noch Luft befindet - wie auf Mauna Kea oder in den chilenischen Anden - können wir sofort einen großen Teil der atmosphärischen Turbulenzen aus der Gleichung herausnehmen. Die Hinzufügung einer adaptiven Optik, bei der ein bekanntes Signal (wie ein heller Stern oder ein künstlicher Stern, der von einem Laser erzeugt wird, der von der Natriumschicht der Atmosphäre in 60 Kilometern Höhe reflektiert wird) vorhanden ist, aber verschwommen erscheint, kann es uns ermöglichen, das richtige „ Spiegelform “, um das Bild und damit das gesamte andere Licht, das damit einhergeht, zu verwischen. Zusätzliche Verbesserungen, wie die gleichzeitige Verwendung mehrerer Hilfslinien, können 99% des Ergebnisses aus dem Weltraum erzielen, jedoch mit dem Zehn- oder sogar Hundertfachen der Lichtsammelkraft.

Und schließlich ist die Atmosphäre nicht nur für sichtbares Licht, sondern auch für eine Vielzahl von Wellenlängen, die es gibt, weitgehend transparent. Diese „atmosphärischen Fenster“ ermöglichen es uns, überall im Universum zu blicken, solange das Licht durchkommt. Während Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und viele Infrarotwellenlängen wirklich nur vom Weltraum aus gesehen werden können, gibt es riesige Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, die buchstäblich genauso gut von der Erde aus zu sehen sind. Radiowellen sind das beeindruckendste Beispiel dafür, wo viele Größenordnungen von Frequenzen vom Boden aus genauso makellos sind wie vom Weltraum. Es gibt eine Reihe hochwirksamer atmosphärischer Fenster auch im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Licht.

Die Durchlässigkeit oder Opazität des elektromagnetischen Spektrums durch die Atmosphäre. Beachten Sie alle Absorptionsmerkmale in Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und Infrarot, weshalb sie am besten vom Weltraum aus betrachtet werden können. Bei vielen Wellenlängen, beispielsweise im Radio, ist der Boden jedoch genauso gut. (NASA)

Es gibt viele gute Gründe, Astronomie vom Weltraum aus zu betreiben, und eine ganze Reihe beeindruckender Objekte, die wir sehen und Wellenlängen erkunden können, die uns sonst vom Boden verschlossen sind. In Bezug auf Vielseitigkeit, Zuverlässigkeit, Wartung, Größe und modernste Technologie ist die Erde immer noch der beste Ort. Mit zunehmender Verbreitung von Standorten in großer Höhe und von Ballons oder Flugzeugen getragenen Observatorien müssen wir uns immer weniger um die älteste Nemesis des Astronomen sorgen: die Wolken. Wenn wir unseren Himmel klar und dunkel halten können, wird die erdgebundene Astronomie auch in den kommenden Generationen neue Geheimnisse über das Universum enthüllen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.