Das elektromagnetische Spektrum in der Astronomie

Der Nachthimmel, auf dessen Lesart sich das menschliche Auge eingerichtet hat, zeigt fast nichts von dem, was dort draußen tatsächlich vorgeht. Der kalte Wasserstoff, der die Galaxis durchzieht; die Schwarzen Löcher, die sich in den Zentren ferner Galaxien nähren; das hundert Millionen Grad heiße Plasma, das die Galaxienhaufen ausfüllt — ihre charakteristische Strahlung liegt häufig außerhalb des sichtbaren Bereichs, auch wenn optische Gegenstücke existieren können. Verschiedene physikalische Prozesse strahlen bei verschiedenen Wellenlängen ab, und das Auge ist auf ein einziges schmales Band geeicht. Über weite Strecken ihrer Geschichte hat die Astronomie diesen dünnen Streifen untersucht und ihn das Universum genannt. Ein vollständiges Bild verlangt, dasselbe Objekt über viele Bänder hinweg zu beobachten — Radio, Infrarot, Ultraviolett, Röntgen, Gamma —, was Astronomen Multiwellenlängen-Astronomie nennen. Kühle Objekte leuchten im Infraroten und im Radiobereich, heiße im Ultravioletten, im Röntgen- und im Gammabereich. Das meiste im Kosmos bleibt bei einer einzigen Wellenlänge unsichtbar; ein „vollständiges“ optisches Bild ist für den größten Teil der Physik daher ein fast totaler blinder Fleck.

Die Geschichte der modernen Astronomie ist zu weiten Teilen die Geschichte neu erschlossener Bänder: Radio in den 1930ern, Infrarot in den 1960ern, Röntgen und Ultraviolett mit Weltraumteleskopen in den 1970ern, Gamma in den 1990ern, Gravitationswellen 2015. Im Radiobereich (Wellenlängen > ~1 mm) zeigen sich die 21-cm-Linie des neutralen Wasserstoffs, an der sich die Gasverteilung der Milchstraße kartieren lässt, dazu Molekülemission von Kohlenmonoxid und Wasser aus kalten Wolken, AGN-Jets und die Pulse von Pulsaren; am meisten genutzt werden das Very Large Array in New Mexico und ALMA in Chile. Das Infrarot (~1–300 µm) zeigt kühle Sterne, staubverhüllte Sternentstehungsgebiete, Exoplanetenatmosphären und die rotverschobene optische Emission der Galaxien mit der höchsten Rotverschiebung — Spitzer (2003–2020) und JWST (ab 2022) sind hier die kanonischen Observatorien. Am weitesten ausgebaut ist das sichtbare Licht (~400–700 nm), wo Hubble und die bodengebundene 8–10-m-Klasse die Hauptlast tragen. Der UV-Bereich zeigt heiße junge Sterne, Sternflares und aktive Galaxienkerne, die Röntgenstrahlung die Akkretion auf kompakte Objekte und das heiße Plasma in Galaxienhaufen (Chandra, ab 1999), die Gammastrahlung — die energiereichsten Photonen — die Gammablitze und wiederum die AGN (Fermi, ab 2008). Gravitationswellen sind ein Kanal ganz eigener Art: LIGO, Virgo und KAGRA haben seit 2015 gemeinsam Hunderte Verschmelzungen kompakter Doppelsysteme nachgewiesen. Die Beugungsgrenze — die Winkelauflösung geht mit Wellenlänge durch Apertur — bindet jedes Band an bestimmte Instrumente: Wer im Radiobereich die Auflösung eines optischen 10-Meter-Teleskops erreichen will, braucht eine synthetische Apertur von Kilometern. Deshalb arbeitet die ernsthafte Radioastronomie durchweg interferometrisch und schaltet viele kleine Schüsseln zum Äquivalent einer einzigen riesigen zusammen. Das Event Horizon Telescope verband Schüsseln von Hawaii bis in die Antarktis zu einer planetengroßen Apertur und lieferte die ersten Bilder vom Schatten supermassereicher Schwarzer Löcher. Bei den meisten Wellenlängen ist die Erdatmosphäre undurchlässig oder verzerrt das Signal — deshalb sitzen Hubble, Chandra und JWST im All.