Das Rendering dieses Künstlers zeigt eine Nachtansicht des in Betrieb befindlichen Extrem Large Telescope auf dem Cerro Armazones im Norden Chiles. Das Teleskop wird mithilfe von 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 All

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 im Abgrund des Weltraums befindet, ob Sie nun auf die Planeten in unserem Sonnensystem oder auf die entferntesten im Universum wahrnehmbaren Galaxien blicken, ist dies das Instrument, das die meisten Menschen für die besten Bilder und Daten verwenden möchten ist das Hubble-Weltraumteleskop. Hunderte von Kilometern über der Erdatmosphäre sind Probleme wie Wolken, atmosphärische Verzerrungen, turbulente Luft oder sogar Umweltverschmutzung kein Problem. Die Bilder sind so scharf wie die Kameras und Optiken an Bord es erlauben, und von ihrer Position außerhalb der Welt aus kann sie in jede Richtung schauen, die wir möchten. Wir haben damit Wunder erlebt, 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 im Abstand von 20 Jahren von Hubble aufgenommen wurden. Das neue Bild auf der linken Seite erfasst fast genau die gleiche Region wie 1995 auf der rechten Seite. Für das neuere Bild wird jedoch die 2009 installierte Hubble Wide Field Camera 3 verwendet, um das Licht von glühendem Sauerstoff, Wasserstoff und Schwefel klarer einzufangen. 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 lernen können, wenn wir Astronomie im Weltraum betreiben. (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, die unbestreitbar über allem stehen, was wir vom Weltraum aus tun können. Es gibt Bilder, die wir erstellen können, und Daten, die wir sammeln können und die aus dem Weltraum einfach nicht zu machen sind. Egal, ob wir bodengestützte Teleskope, Observatorien auf Ballons oder sogar Flugzeuge in großer Höhe 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 Weltraumteleskop-Liebhaber. Eine adaptive Optik oder ein makelloser Beobachtungsort können auf keinen Fall mit einem Observatorium mithalten, mit dem die Erde nicht zu kämpfen hat. Aber es gibt einige sehr zwingende Gründe, um Astronomie am Boden zu betreiben, da es Vorteile gibt, die Sie verlieren, sobald Sie in den Weltraum fliegen. Hier sind die fünf Besten.

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

1.) Die Weltraumteleskoptechnologie ist veraltet, noch bevor sie auf den Markt gebracht wurde. Um ein Weltraumteleskop zu starten, müssen Sie entscheiden, was Sie damit anfangen möchten, Ihre Instrumente entwerfen und bauen, an Bord des Observatoriums integrieren und dann starten. Für eine Mission wie das James Webb-Weltraumteleskop war die Konstruktion der Instrumente zu Beginn des Jahrzehnts abgeschlossen. Ein heute gebautes Instrument würde ungefähr sieben Jahre überlegene Technologie beinhalten. 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 am Boden ist? Nehmen Sie einfach das alte und das neue Instrument heraus, und Ihr altes Teleskop ist wieder auf dem neuesten Stand der Technik - bis an die Grenzen seines optischen Designs.

Das 25-Meter-Riesenteleskop von Magellan befindet sich derzeit im Bau und wird das größte neue bodengestützte Observatorium der Erde sein. Die Spidararme, die den Sekundärspiegel in Position halten, sind speziell so konstruiert, dass ihre Sichtlinie direkt zwischen den schmalen Lücken in den GMT-Spiegeln liegt. Dies ist das kleinste der drei vorgeschlagenen 30-Meter-Teleskope und es ist größer als jedes weltraumgestützte Observatorium, das überhaupt konzipiert wurde. Es sollte bis Mitte der 2020er Jahre abgeschlossen sein. (Riesenteleskop von Magellan / 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 abschießen, 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, mit der es gestartet wird! 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, mit der es gestartet wird. Selbst in den Träumen der NASA erreicht das LUVOIR-Weltraumteleskop einen Durchmesser von 15,1 Metern. Vor Ort gibt es jedoch weder Größen- noch Gewichtsbeschränkungen, und drei unabhängige 30-Meter-Teleskope 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!

Start der 82. erfolgreichen Mission von Ariane 5 in Französisch-Guayana am 12. Dezember 2017 Dieser Flug, VA240, sollte repräsentativ für das sein, was JWST bei seinem Start im Jahr 2019 sieht. Möge er erfolgreich sein. Für Weltraumstarts haben 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 während der ersten Minuten nach dem Start nicht von der Rakete getrennt hat. Die gesamte Raketen-Raumfahrzeug-Einheit stürzte nur 17 Minuten nach dem Start in den Ozean. Die Rakete, die das James Webb-Weltraumteleskop Ariane 5 abfeuern wird, hatte 82 Starterfolge in Folge, bevor sie vor zwei Monaten einen teilweisen Ausfall erlitt. Viele Weltraummissionen sind aufgrund eines Fehlers beim Start, beim Einsatz oder beim Einsetzen in die Umlaufbahn zum grimmigen Ende gekommen. Sobald Sie gestartet sind, ist es praktisch unmöglich, einen Raumfahrzeugfehler zu beheben, wenn etwas schief geht. Vom Boden aus wird das niemals vorkommen.

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 aufgebaut, 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, dass Ihre Gyroskope niemals versagen. Haben Sie eine optische Komponente, die sich verschlechtert, ausfällt oder fehlerhaft ist? Im Weltraum stecken Sie fest mit dem, was Sie haben. Aber vor Ort können Sie extravagante Wartungseinrichtungen vor Ort haben. Ein defekter, 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 sofort eingeliefert werden. Es ist eine bemerkenswerte Leistung, die Hubble fast 30 Jahre lang geleistet hat, aber es waren mehrere Wartungseinsätze (und etwas Glück) erforderlich, um dies zu erreichen. Vor Ort bringen ein halbes Jahrhundert alte Teleskope immer noch die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse hervor. Es gibt keinen Wettbewerb.

Das stratosphärische 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 dort zu beobachten, wo sie auftreten. (NASA / Carla Thomas)

5.) Auf der Erde können Sie von jedem beliebigen Ort aus beobachten. Sobald Ihr Observatorium in den Weltraum fährt, bestimmen die Schwerkraft und die Bewegungsgesetze zu jeder Zeit genau, wo sich dieses Raumschiff befinden wird. Viele astronomische Kuriositäten sind von überall zu sehen, aber es gibt einige spektakuläre Ereignisse, bei denen Sie zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort sein müssen. Occultationen sind ein extremes Beispiel dafür, wo ein entferntes, kleines Objekt im Sonnensystem vor einem Hintergrundstern vorbeizieht, jedoch nur für einen kurzen Moment an einem bestimmten Ort. Neptuns Mond Triton und New Horizons erstes Post-Pluto-Ziel, MU69, verdeckten beide 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 Tritons Atmosphäre mit den Jahreszeiten ändert, und wir haben sogar einen kleinen Mond um MU69 entdeckt! Da wir nicht alle Eier in den Korb des Weltraumteleskops legen, können wir die einzigartige Wissenschaft betreiben, die das auf unserer Welt einfallende Licht ermöglicht.

Auf dem Gipfel des Mauna Kea befinden sich viele der modernsten und leistungsstärksten Teleskope der Welt. Dies ist auf die Kombination aus äquatorialer Lage von Mauna Kea, großer Höhe, guter Sicht und der Tatsache zurückzuführen, dass es sich im Allgemeinen, aber nicht immer, über der Wolkenlinie befindet. (Subaru Telescope Zusammenarbeit)

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

Und schließlich ist die Atmosphäre für nicht nur sichtbares Licht, sondern für eine Vielzahl von Wellenlängen, die es gibt, weitgehend transparent. Diese „atmosphärischen Fenster“ ermöglichen es uns, überall im Universum zu blicken, solange das Licht durchdringt. 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 betrachten sind. Radiowellen sind das beeindruckendste Beispiel dafür, wo viele Größenordnungen von Frequenzen vom Boden aus genauso makellos sind wie vom Weltraum aus. Es gibt eine Reihe hochwirksamer atmosphärischer Fenster für ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht.

Die Durchlässigkeit oder Opazität des elektromagnetischen Spektrums durch die Atmosphäre. Beachten Sie alle Absorptionsmerkmale von Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und Infrarot, weshalb sie am besten aus dem Weltraum betrachtet werden. Über viele Wellenlängen, wie 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 und Wellenlängen, die wir erforschen können und die uns sonst vom Boden abgeschottet sind. Aber in Bezug auf Vielseitigkeit, Zuverlässigkeit, Wartung, Größe und neueste Technologie ist die Erde immer noch der beste Ort. Da hochgelegene Standorte und Observatorien, die von Ballons oder Flugzeugen getragen werden, immer häufiger vorkommen, müssen wir uns immer weniger um die älteste Nemesis des Astronomen kümmern: die Wolken. Wenn wir unseren Himmel klar und dunkel halten können, wird die erdbasierte Astronomie auch in den kommenden Generationen neue Geheimnisse über das Universum preisgeben.

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