SOFIA - Ein Wunderwerk der Technik und Meisterwerk deutscher Ingenieurskunst

 

SOFIA, das „Stratosphären Observatorium für Infrarot Astronomie“, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums fürLuft- und Raumfahrt e.V. (DLR) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente wird von der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem DLR finanziert. Für SOFIA wurde eigens eine Boeing 747 SP umgebaut und im hinteren Teil mit einem 17 Tonnen schweren 2,7 Meter-Teleskop bestückt. In einer Flughöhe von etwa 14 km, bei einer Fluggeschwindigkeit von etwa 900 km/h und einer Außentemperatur von etwa – 50 °C beobachten damit seit 2010 Astronomen mehrmals wöchentlich bei geöffneter Luke junge Sterne und Planetensysteme. Nur in der Stratosphäre können Wissenschaftler die infrarote Strahlung „sehen“. Darunter wird sie vor allem durch den Wasserdampf in unserer Atmosphäre „geschluckt“. Der wichtigste deutsche Beitrag zum Observatorium ist das Teleskop. Sein hydrostatisches Lager und der Spiegel aus Zerodur sind ein Meilenstein in der Astronomie, „Made in Germany“.

Dieses einmalige Observatorium, das im Jahr 2010 seinen wissenschaftlichen Betrieb aufgenommen hat, steht auch ganz im Zeichen der Bildungs- und Öffentlichkeitsarbeit. Vor allem bei Schülern, aber auch bei Lehrern, Journalisten und interessierten Laien soll das Interesse für die naturwissenschaftlichen und technischen Disziplinen geweckt werden. So haben ausgewählte Lehrergruppen die Möglichkeit, die wissenschaftlichen Projekte von SOFIA zu begleiten und bei einem der spektakulären Flüge in die Stratosphäre dabei zu sein. Erfahrene Astronomen führen an Bord von SOFIA umfassende Untersuchungen zu vielfältigen kosmischen Objekten durch. Diese Daten tragen maßgeblich zum Verständnis der Struktur und der Entwicklung unseres Universums bei. Mit Hilfe von SOFIA wird es möglich sein, die von großen und kleinen Himmelskörpern gesendeten messbaren „Fingerabdrücke“ von den Details des Universums außerhalb unseres direkten Zugriffs aufzuspüren. Wenn SOFIA diese Signale auffängt, können Astronomen den Kreislauf der Materie, von den Staubwolken zu den Sternen und Planeten und wieder zurück, verfolgen. Ein großer Vorteil, den SOFIA gegenüber erd- gebundenen oder Weltraumteleskopen bietet, ist ihre geografische Unabhängigkeit. So kann sie zu jeder Zeit an jeden Ort der Erde fliegen, um zum Beispiel zeitlich begrenzte Ereignisse wie die Bedeckungen von Sternen durch Planeten, vergleichbar den Sonnenfinsternissen, zu beobachten. Diese Phänomene sind immer nur wenige Minuten von bestimmten Standorten aus zu sehen und enthüllen beispielsweise die Struktur planetarer Atmosphären. SOFIA kommt auch dann zum Einsatz, wenn außergewöhnliche, zeitlich begrenzte Ereignisse stattfinden: Etwa Supernovae, Kometen, die in die Sonne oder auf Planeten stürzen, aber auch Asteroiden und Kometen, die sich der Erde nähern. Margarita Riedel wurde als ehemalige Physik-Lehrerin sowie ehrenamtliche Betreuerin der Astronomie-Jugendgruppe der Kepler-Gesellschaft ausgewählt und konnte im Februar 2019 einen Flug miterleben. Sie engagiert sich u.A. für die Weiterbildung von Jugendlichen und begleitete nun auch die Jugendgruppe bei der Führung durch das Forschungsflugzeug in Stuttgart im September 2019 und hatte dabei viel zu erzählen. Doch dazu später mehr...

Die erste Generation von mehreren US-amerikanischen und deutschen SOFIA-Instrumenten wird Wellenlängen zwischen dem sichtbaren und dem Mikrowellenbereich abdecken können und besteht aus einer ausgewogenen Mischung aus abbildenden Kameras und hochauflösenden Spektrometern. Ein wesentlicher Vorteil von SOFIA ist die Möglichkeit, permanent neue Instrumente mit den modernsten Technologien zu entwickeln und zu verwenden. Mit seinen einzigartigen Fähigkeiten wird SOFIA in seiner 20-jährigen Betriebszeit gemeinsam mit anderen Missionen unser Wissen über die Entstehung der verschiedensten Strukturen im Universum nachhaltig erweitern. 

Physikerin fliegt in die Stratosphäre

Die ehemalige Physiklehrerin und DLR-Mitarbeiterin Margarita Riedel aus Weil der Stadt wurde für den Forschungsflug an Bord von SOFIA im Februar 2019 ausgewählt. Für ihre ehrenamtliche Tätigkeit in der Kepler-Gesellschaft u.A. als Mitbetreuerin der Astronomie-Jugendgruppe erhielt sie einen der raren und begehrten Plätze bei diesem Flug. Doch sie musste lange darum Bangen, machten doch einige widrige Umstände den Start lange fraglich. Die Haushaltssperre der US-amerikanischen Regierung hätte den Betrieb der fliegenden Sternwarte, beinahe stillgelegt. Doch zum Glück gab es zwei Tage vor Reiseantritt Entwarnung und Margarita Riedel erreichte zusammen mit drei weiteren Lehrkräften planmäßig ihr Reiseziel. Um die Gäste aus Deutschland optimal auf ihren SOFIA Mitflug vorzubereiten, wurden sie von Alexander Steiner, einem der Teleskop-Ingenieure des Deutschen SOFIA Instituts bereits im Vorfeld intensiv auf die Funktionsweise und die Technik des Teleskops vorbereitet. Margarita Riedel kommt aus der Geburtsstadt von Johannes Kepler und so sinnierte sie auch darüber, wie dieses Genie des 17. Jahrhunderts mit der Technik von heute umgegangen wäre: „Was wohl mein Held Johannes Kepler dazu sagen würde?“ und zitiert den berühmten deutschen Astronom und Naturphilosophen aus dem Jahr 1610: „...man schaffe Schiffe und Segel, die sich für die Himmelsluft eignen. Dann wird es auch Menschen geben, die vor der öden Weite des Raumes nicht zurückschrecken werden." 

Am 20. Februar rief Mission Director Jeff Cox nachmittags die vier Lehrkräfte zum Mission- Briefing für den Flug 548 von SOFIA. Die Vorfreude auf ihren ersten Flug in den Stratosphärenraum war groß, die Erwartungen entsprechend noch größer… Doch dann kam es eben wieder einmal anders: ein Schneesturm in Palmdale verhinderte den Start. Starke Turbulenzen über dem Pazifik machten laut Wetterbericht einen gesicherten Ablauf der Mission unmöglich. Große Enttäuschung machte sich bei den vier Gästen aus Deutschland breit, aber der abendliche starke Schneesturm ließ Dankbarkeit aufkeimen, dass man sich nun nicht in 13 Kilometern Höhe an Bord eines sturmgebeutelten Flugzeugs befand.

Nächster Versuch: 20 Stunden später wurde man erneut zum Mission- Briefing geladen. Der Sturm war vorüber, endlich sollte es losgehen. Flugzeug, Teleskop und das Messinstrument HAWC+ (High-resolution Airborne Wideband Camera-plus) waren einsatzbereit. Eine Stunde vor dem geplanten Abflug waren alle Missionsteilnehmer pünktlich an Bord von SOFIA. Pilotin Liz Ruth beobachtete besorgt die Oberseite der Tragflächen. Es bestand das Risiko, dass das Wasser darauf gefriert, da die Temperatur nur knapp über dem Gefrierpunkt lag. Außerdem arbeiteten Techniker an einem Kühlsystem für den hinteren Teil der Flugzeugkabine, das auch für die Kühlung des Teleskops verantwortlich ist. Die Piloten und der Mission Director planten bereits für einen verspäteten Start, in der Hoffnung, dass die Techniker das Problem schnell lösen können. Doch erneut sollte es nicht sein und auch dieser letzte für diese Woche geplante SOFIA Flug musste aus Sicherheitsgründen ausfallen. Zum Glück konnte die Mission durch die DSI Betreuerin Antje Lischke-Wies verlängert werden. Über das Wochenende wurde das Instrument HAWC+ wie geplant abgebaut, das deutsche Instrument FIFI-LS (The Far Infrared Field- Imaging Line Spectrometer) montiert und die Lüftung des Teleskops eingehend untersucht und repariert.

Am 26.Februar ging es nun zum dritten Anlauf: am späten Nachmittag hob SOFIA tatsächlich mit allen Gästen aus Deutschland ab. An der eigens für Lehrkräfte installierten Computerkonsole konnten sie nun endlich verfolgen, wie sich die Teleskopluke öffnete und SOFIA mit den wissenschaftlichen Beobachtungen begann. Als erstes Objekt stand die Balkengalaxie M 66 (NGC 3627) auf dem Plan. Zusammen mit den beiden Galaxien M 65 und NGC 3628 bildet sie das sogenannte „Leo-Triplett“. „Wir wollen erstmalig eine hochauflösende Karte der Feinstrukturlinie der gesamten Galaxie erstellen und damit die Sternentstehungsrate in den verschiedenen Bereichen einer Balkenspirale untersuchen“, so DSI Ingenieur Sebastian Colditz, der in dieser Nacht mit an Bord war. „Wir durften alle mit ansehen und hören, was sie diskutierten“, berichtete Margarita Riedel spart nicht mit Bewunderung: „Derzeit gibt es kein anderes fliegendes Teleskop, welches in diesen Wellenlängen beobachten kann. Das macht diese Beobachtungsplattform noch für viele Jahre einzigartig.“ Es geht also um die Entstehung des Weltalls. Beim zweiten Flug in der Nacht darauf fliegt sogar Alfred Krabbe, der Leiter des Deutschen SOFIA-Instituts, mit. Über den Wolken gibt der Professor den deutschen Lehrern eine Vorlesung über die SOFIA. Und am Horizont sind währenddessen Polarlichter zu sehen. „Das waren mit die aufregendsten Tage in meinem Leben“, sagte Margarita Riedel. Ihre Teilnahme an diesem Flug betrachtet sie noch heute als „Sechser im Lotto“. Die Erlebnisse an Bord der wissenschaftlichen Maschine haben sie sehr beeindruckt und nach dieser Zeit voller Eindrücke und neuer Erfahrungen berichtet sie seither als „SOFIA-Botschafterin“ in zahlreichen Vorträgen über diesen Flug mit der einzigartigen SOFIA.

Die Geschichte der Sternentstehung

Unsere erste Beispielgeschichte beginnt mit Ereignissen, die sich vor langer Zeit in Galaxien abgespielt haben. SOFIA kann Momentaufnahmen von fernen Galaxien in einer Phase machen, in der diese Sternsysteme den Höhepunkt ihrer Sternentstehung erlebte. Hierbei kann SOFIA Galaxien in unserer unmittelbaren Nachbarschaft beobachten, aber auch Galaxien, die auf der halben Wegstrecke durch das Universum liegen. Das Observatorium kann dabei die hellsten Infrarotlinien dieser Quellen mit einer räumlichen Auflösung detektieren, die bedeutend höher ist als die von bisherigen Infrarot-Observatorien. Die Ergebnisse solcher Untersuchungen sind entscheidend für das Verständnis der Sternentstehungsgeschichte im gesamten Universum. SOFIA wird hochauflösende Bilder vom interstellaren Medium zur Verfügung stellen, das sich in den Spiralarmen ferner Galaxien befindet. So kann geklärt werden, welche Rolle diese Spiralstrukturen selbst bei der Sternentstehung spielen und wie junge Sterne mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung stehen.

SOFIA liefert uns Daten von unserem eigenen galaktischen Zentrum, aus denen wir ableiten können, wie galaktische Kerne generell funktionieren. Diese geben uns Aufschluss über die Wechselwirkung der verschiedensten Dinge miteinander: Über das zentrale schwarze Loch, massive Sterne, dichte Gas- und Staubwolken, starke Magnetfelder, intensive Röntgenstrahlen im Hintergrund sowie andere hochenergetische Strahlungen. Die Rätsel hinsichtlich der Art dieser Wechselwirkungen sind noch nicht vollständig gelöst.

Von den molekularen Wolken im Galaxiezentrum gehen gewaltige Magnetfelder aus. Die polarisierten Staubteilchen dieser Wolken richten sich bemerkenswert gleichförmig an diesen Magnetfeldern aus. Wie und warum dies so passiert, ist allerdings noch nicht geklärt. SOFIA wird viele solcher Wolken beobachten und die Schwankungen der räumlichen Magnetfeldausrichtung in einer fünfmal besseren Auflösung messen als dies bisher möglich war. Unser Verständnis der Wolkendynamik, der Sternenbildung und der starken magnetischen Felder zwischen den Wolken wird sich durch diese Informationen deutlich verbessern.

Sterne und Umgebungen

Das Licht von Sternen verändert ihre nähere Umgebung, indem es etwa atomaren Wasserstoff ionisiert oder die chemischen Prozesse innerhalb von Sternentstehungsgebieten antreibt: SOFIA wird in diesen massiven Sternentstehungsgebieten alle wichtigen infraroten Signaturen messen und verfolgen, wie diese von den physikalischen Bedingungen beispielsweise der Dichte, Metallizität und Temperatur abhängen. Auch Atome und Moleküle, die für die Astrobiologie relevant sind, können detailliert erforscht werden.

Massive Sterne

SOFIA wird in hohem Maße zu unserem Verständnis der Details beitragen, wie Gas und Staub die großräumige Verteilung von Sternen und planetaren Systemen bewirken. Hierbei wird sich SOFIA vor allem darauf konzentrieren, wie sich die massivsten Sterne bilden. Denn obwohl sie nicht besonders zahlreich sind, haben sie durch ihre extrem heißen Oberflächentemperaturen einen starken Einfluss auf große Bereiche der Galaxien. Durch umfassende Daten von Hunderten massiver Sterne können Astronomen Korrelationen ihrer Spektren mit der stellaren Masse, dem Alter und ihrer Metallizität (Grad der Anreicherung mit Elementen schwerer als Helium) ableiten und die Kollapsprozesse im Sterninnern besser verstehen. 

Wo ist der fehlende Sauerstoff?

Quer durch die verschiedenen Regionen der Galaxie ist die Menge des entdeckten Sauerstoffs, verglichen mit anderen Elementen, relativ gleichbleibend. Nur in Regionen, in denen sich Sterne bilden, trifft das nicht zu: Nach aktuellen Beobachtungen findet man hier nur etwa 70 Prozent der Sauerstoffmenge, die dort erwartet wird. Da Sauerstoff einen zentralen Bestandteil für Planeten und Leben, für Wasser, terrestrische Felsen und komplexe organische Moleküle darstellt, ist das Auffinden des fehlenden Sauerstoffs von großem Interesse. SOFIAs spezielle Detektoren sind besonders dafür geeignet, H2O- und OH-Linien und somit die fehlenden Sauerstoffmengen zu entdecken, um daraus auf wichtige chemische Prozesse zu schließen.

Wasser

Für die Entstehung von Leben ist Wasser unentbehrlich. SOFIA kann die Bildung, Verteilung und physikalische Veränderung von Wasser und seinen Isotopen in gigantischen molekularen Wolken bis hin zu den planetenbildenden Zonen von Gas- und Staubscheiben zurückverfolgen. Auch die Entwicklungsgeschichte von Eis in seinen verschiedenen Zuständen (amorph oder kristallin zum Beispiel) kann mit SOFIA detailliert untersucht werden.

Kometen

Die Raumflugmissionen Stardust und Deep Impact haben ein kompliziertes Bild der Entwicklung von Kometen und Sonnensystemen gezeichnet. Neuere Modelle sagen jetzt voraus, dass eine dynamische Vermischung zu einer größeren Vielfalt unter den Kometen geführt hat als bislang angenommen. Mit SOFIA werden Forscher diese neuen Hypothesen testen, indem sie Kometen auf den Gehalt von Wasser, Mineralien und organischen Inhalten untersuchen und entsprechend klassifizieren werden. Während SOFIAs Betriebszeit werden hierfür mehr als 60 Kometen beobachtbar sein. 

Venus

Bisher wurde der Schwesterplanet der Erde nie gründlich mit Hilfe der hochauflösenden Breitbandspektroskopie erforscht. Dank SOFIA sind nun Studien vieler in der Theorie vorhergesagter Moleküle möglich. So kann SOFIA die Chemie der Venusatmosphäre studieren und die dynamischen Prozesse bis weit in die undurchsichtige Atmosphäre hinein aufzeichnen. SOFIA kann die Venus während ihres maximalen Winkelabstandes von der Sonne sechs Monate lang sowohl vor Sonnenaufgang als auch nach Sonnenuntergang beobachten und im infraroten Bereich spektral untersuchen. Da auf absehbare Zeit kein Satellit mit hochauflösenden Spektrometern im mittleren und fernen Infraroten zur Venus geplant ist, bleibt SOFIA auf längere Sicht dafür die einzige Beobachtungsplattform.