Teleskope & Spektroskopie

Hunderte dunkle Linien, quer durch ein sonst lückenloses Sonnenspektrum: Das bekam der Optiker Joseph von Fraunhofer 1814 zu sehen, als er ein selbst entworfenes Spektroskop weiter verfeinerte und Sonnenlicht durch ein Prisma schickte. Katalogisiert hatte so etwas vor ihm niemand. Die kräftigsten Linien versah er mit den Buchstaben A bis K — den Fraunhoferlinien — und richtete das Gerät dann auf Sirius: Auch dort standen dunkle Linien, nur andere als in der Sonne. Fünfundvierzig Jahre später zeigten Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff in Heidelberg, woher sie stammen: Es sind Absorptionslinien bestimmter Elemente in der Sonnenatmosphäre, nachgewiesen im Abgleich mit den Emissionsspektren bekannter Elemente im Labor. Auguste Comte hatte 1835 noch die These vertreten, die chemische Zusammensetzung der Sterne werde dem Menschen für immer verschlossen bleiben; um 1860 war stattdessen das Labor zu den Sternen gebracht.

Ein Spektrum — Intensität, aufgetragen über der Wellenlänge — packt auf eine einzige Achse eine erstaunliche Menge Physik. Emissionslinien entstehen, wenn angeregte Atome zurückfallen und Photonen bei charakteristischen Wellenlängen abgeben, festgelegt durch quantenmechanische Übergänge: die Balmer-Serie des Wasserstoffs, He II 4686, die verbotenen Linien des nebulären Sauerstoffs — jede eine unverwechselbare Signatur. Absorptionslinien entstehen umgekehrt, wenn kühles Gas vor einer heißen Kontinuumsquelle genau bei diesen Wellenlängen Licht schluckt; was Fraunhofer auf der Sonne sah, war die kühle äußere Atmosphäre vor dem Kontinuum der heißeren Photosphäre darunter. Über die Dopplerverschiebung werden die Linien zum Geschwindigkeitsmesser: Sie rücken ins Rote, wenn die Quelle sich entfernt, ins Blaue, wenn sie näher kommt. Die Linienverbreiterung verrät Temperatur, Dichte und Rotation, das Verhältnis der Linien zueinander den Ionisationszustand. Aus einem einzigen gut aufgelösten Spektrum lassen sich Chemie, Temperatur, Dichte, Bewegung und Magnetfeldstärke ablesen. Die Instrumentengeschichte seit 1859 handelt vor allem davon, den Wellenlängenbereich auszuweiten und die Erdatmosphäre loszuwerden. Vom Boden aus ist der größte Teil des elektromagnetischen Spektrums undurchlässig oder stark verzerrt; für den Rest braucht es Plattformen im All — Hubble im Optischen und Ultravioletten, Chandra im Röntgen-, Fermi im Gammabereich, JWST im Infraroten. Am Boden waren seit den 1990er Jahren zwei Entwicklungen folgenreich: die adaptive Optik, bei der verformbare Spiegel die Luftunruhe in Echtzeit herausrechnen, und die Interferometrie, die die Signale mehrerer weit auseinanderstehender Teleskope zu einer einzigen, viel größeren virtuellen Öffnung zusammenschaltet. Das Event Horizon Telescope, eine planetengroße synthetische Radioapertur, hat den Schatten des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum von M87 (2019) und den von Sgr A∗ (2022) abgebildet. Gravitationswellen-Observatorien — LIGO, Virgo, KAGRA — tragen dieselbe Methodik in einen Kanal jenseits des Elektromagnetischen.