Stratosphären-Observatorium von DLR und NASA erforscht mit drei Instrumenten den Südhimmel

Kia Ora - so begrüßen die Māori, das indigene Volk Neuseelands, traditionell ihre Gäste. Am 23. Juni 2017 um 1.05 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit (11.05 Uhr Ortszeit) war es wieder einmal Zeit für diese Grußformel, denn ein ganz besonderer Ankömmling ist am "anderen Ende der Welt" auf dem Flughafen Christchurch gelandet: Die fliegende Sternwarte SOFIA des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA wird zum vierten Mal über mehrere Wochen - bis zum 10. August 2017 - in 25 Beobachtungsflügen den Südhimmel ins Visier nehmen. Bereits am 26. Juni wird das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie - kurz SOFIA - zum ersten Wissenschaftsflug der diesjährigen Kampagne starten.

Lange Winternächte liefern ungetrübte Einblicke

SOFIA ist am 21. Juni 2017 von ihrer Heimatbasis in Palmdale in Kalifornien gestartet und nach einem Zwischenstopp zum Auftanken auf Hawaii in Christchurch gelandet. Die fliegende Sternwarte nutzt die langen Winternächte in Neuseeland, da hier während dieser Zeit die Wasserdampfkonzentration in der irdischen Atmosphäre sehr viel geringer als in unserem Sommer auf der Nordhalbkugel ist. "Das sind ideale Voraussetzungen für ungetrübte Beobachtungen. Denn schon kleinste Mengen an Wasserdampf in der Luft können die Infrarotstrahlung aus dem All "verschlucken", sodass diese nicht mehr von den Spektrometern gemessen werden kann", erklärt DLR-Projektleiter Heinz Hammes.

In einer Flughöhe von rund 13 Kilometern fliegt SOFIA weitestgehend über dem Wasserdampf und kann so von Neuseeland aus prominente Sternentstehungsgebiete wie die Große und die Kleine Magellansche Wolke ungetrübt betrachten und untersuchen: "Diese Regionen kennen wir zwar schon von optischen Beobachtungen. Im Infrarotbereich sind sie bisher allerdings kaum erforscht. Hier knüpfen wir nahtlos an die letzte Beobachtungskampagne vom Juni 2016 an, um noch mehr über diese Gebiete zu erfahren", so Hammes. Um Materiebewegungen zu untersuchen, wird das SOFIA-Teleskop auch auf das Zentrum der Milchstraße gerichtet, das von der südlichen Hemisphäre wesentlich besser und länger als vom Nordhimmel aus zugänglich ist.

Drei Instrumente für unterschiedliche Beobachtungen

Damit SOFIA ihre vielfältigen Beobachtungen machen kann, werden an das 2,7 Meter durchmessende Spiegelteleskop verschiedene Instrumente angeschlossen. "In diesem Jahr kommen in Neuseeland wieder drei Beobachtungsinstrumente zum Einsatz. Mit ihnen können die Wissenschaftler Sternentstehungsgebiete in den verschiedensten Stadien ihrer Entwicklung untersuchen", erklärt Hammes. So kommen während dieser Kampagne die in Deutschland gebauten Ferninfrarotspektrometer GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) und FIFI-LS (Field-Imaging Far-Infrared Line Spectrometer) sowie das US-amerikanische Instrument FORCAST (Faint Object InfraRedCAmera for the SOFIA Telescope) zum Einsatz. Mit ihnen lässt sich die Gesamtdynamik der Sternentstehung im Detail untersuchen und spektrale "Fingerabdrücke" von Atomen und Molekülen nehmen, um Gasdichten, Temperaturen und Geschwindigkeiten der Wolken zu bestimmen.

Mit GREAT spektroskopisches Neuland erkunden

Ursprünglich betrieb das Spektrometer GREAT einen Detektor, um damit beispielsweise mehr über die chemische Zusammensetzung von Sternentstehungsgebieten zu erfahren. Bei dieser Kampagne kommen nun zwei wesentlich verbesserte Versionen des Instruments zum Einsatz: upGREAT besitzt 21 Detektoren, die auf zwei sogenannten Arrays (14+7) angeordnet sind und nun zum ersten Mal die gleichzeitige Beobachtung bei zwei unterschiedlichen Frequenzen parallel ausführen. Mit 4GREAT werden die spektroskopischen Möglichkeiten dann noch bis hinunter zu 490 GHz erweitert (besonders interessant für Spektrallinien von Wasser und Ammoniak) und mit vier Einzeldetektoren Beobachtungen in vier unterschiedlichen Frequenzbereichen gleichzeitig durchgeführt.

"Mit diesen Erweiterungen erhöht sich die Leistungsfähigkeit und die Beobachtungseffizienz unseres Instruments um mehr als das Zehnfache und neue bislang unerforschte Frequenzbereiche werden erschlossen ", erläutert Dr. Rolf Güsten, der Leiter des GREAT-, 4GRAT- und upGREAT-Instruments vom Max-Planck Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn. "In diesem Jahr reichen die Untersuchungen von Kartierung des atomaren Sauerstoffs in den Magellanschen Wolken und im Galaktischen Zentrum zu Studien der Chemie protoplanetarer Scheiben und Planetarischer Nebel, bis hin zur Suche nach im Weltall bislang nicht nachgewiesener Moleküle", ergänzt Dr. Güsten.

FIFI-LS misst Daten zur Sternentstehung

Bereits zum zweiten Mal erkundet FIFI-LS die Südhemisphäre. Dieses Instrument mit zwei Detektorarrays misst bei deutlich mehr Wellenlängen als GREAT und kann schneller großflächige Kartierungen ausgedehnter Molekülwolken vornehmen. FIFI-LS wird wieder insbesondere die Elemente Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff in Sternentstehungsgebieten und im interstellaren Medium - dem Raum zwischen den Sternen - beobachten. Diesmal gerät sowohl unsere Milchstraße als auch ein riesiges Sternentstehungsgebiet der Großen Magellanschen Wolke sowie andere entferntere Galaxien ins Visier. "Damit können wir auch erstmals eine detailgetreue Inventur der Materie in der Umgebung des galaktischen Zentrums durchführen", erläutert Prof. Alfred Krabbe, Leiter des FIFI-LS-Instruments und des Deutschen SOFIA Instituts (DSI) an der Universität Stuttgart. "Außerdem wollen wir die Materiebewegungen in der Umgebung des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße verstehen. Das geht nur mit SOFIA von Neuseeland aus."

Kampagnen-Abschluss mit Instrument FORCAST

Bei seinen sechs Einsätzen misst FORCAST bei kürzeren Wellenlängen als FIFI-LS und GREAT und beobachtet insbesondere Staubscheiben um neu entstandene Sterne, aber auch die von alten Sternen und Supernovae ins Weltall zurückgeschleuderten Staubmassen. Am 13. August soll SOFIA wieder nach Palmdale zurückfliegen. Nach einer Wartung des Flugzeugs und des Teleskops sollen dann ab Anfang September bis Mitte November 2017 weitere 32 Wissenschaftsflüge von Kalifornien aus durchgeführt werden.

SOFIA

SOFIA, das "Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie" ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird vom DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR. 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).

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