Warum man den Himmel durchmustert?

Seit Jahrtausenden staunen die Menschen über die Welt außerhalb ihrer Heimat und unseres Planeten. Die Sterne und Planeten, nur Lichtpunkte am Nachthimmel, haben schon immer unsere Neugier hervorgerufen, als wir versuchten, unsere Stellung im Universum zu ergründen.

Unsere Vorfahren brachten diese Lichtpunkte immer mit höheren Mächten in verbindung, mit Göttern, Göttinen und Kräften außerhalb unserer Kontrolle. Einige Kulturen bemerkten, daß einigen himmlischen Ereignissen eine Regelmäßigkeit zugrundeliegt und nutzten dies um die Zeitpunkte führ landwirtschaftliche und religiöse Handlungen festzulegen. Später wurden Sternkarten wesentliches Werkzeug für die Schiffahrt und damit führ den Handel, Diese waren meißt ungenau und basierten auf Beobachtungen mit bloßem Auge. Dieser wichtige Aspekt der Himmeldurchmusterungen besteht bis heute siehe z.B.: U.S. Naval Observatory.

Heute versteht man, daß das Universum nicht nur aus Sternen und Planenten besteht, sondern auch aus Galaxien, Galaxiehaufen, Gasströmungen und Wolken und aus einer Komponente aus nichtbeobachtbarer (oder dunkler) Materie. Um diese Objekte besser zu verstehen, muß man zuerst wissen wo man sie findet, wie sie miteinander wechselwirken und wie sie sich im Lauf der Zeit entwickeln. Viele dieser Objekte bedecken große Teile des Himmels, andere sind so selten daß man Millionen von Objekten beobachten muß nur um ein Beispiel zu finden. Diese Ideen haben die vielen Projekte angetrieben, die im letzten Jahrhundert das Universum über immer größere Bereiche, in immer größere Entfernungen und über immer größere Bereiche der Wellenlänge Kartographierten. Vollständige unvoreingenommene Durchmusterungen sind die besten Methoden um neue und unerwartete Phenomene zu entdecken, und um daraus ihre Eigenschaften und die zugrundeliegende Physik abzuleiten.

Diese Durchmusterung, die Sloan Digital Sky Survey (SDSS), wurde durch eine ganz bestimmte Idee angetrieben: Die großräumige Verteilung der Galaxien mit sehr viel größerer Genauigkeit messen als bisher. Mit solchen Daten können wir verstehen wie mikroskopische Störungen der Materie und Energie sich seit den ersten Augenblicken nach dem Urknall (vor mehr al 12 Milliarden Jahren) zu den Strukturen entwickelt haben, die wir heute beobachten. Die SDSS erstellt eine neue Himmelskarte für Lehre und Forschung in der Astronomie. Der Bereich des Weltalls der von SDSS aufgezeichnet wird, ist sehr viel größer als je zuvor und die Messungen sind detailierter und präzieser. Bei der SDSS wird dies durch ein neues Teleskop erreicht (oder vielmehr ein ganzes neues Beobachtungssystem), das konstruiert wurde um große Winkelbereiche abzubilden und mit noch nie dagewesenen Datenmengen umzugehen (über 40 Terabyte). Die Karte ist Digital und auf sie kann von überall und von Jedem zugegriffen werden. Dies wird zu vielen unerwarteten Entdeckungen führen, einige davon sicherlich auch von Amateuren. Wir stehen am Beginn einer gänzlich neuen Phase der astronomischen Forschung.

Historische Aufzeichnung

Eine chinesische Sternenkarte von ca. 940 n.Chr. Copyright c 1997, The British Library Board British Library, Or.8210/S.3226

Astronomie ist die älteste Naturwissenschaft. Die Neugier der antiken Völker für Tag und Nacht, die Sonne, Mond und die Stere f$uuml;hrte zu der Beobachtung, daß die Himmelkörper sich regelmäßig zu bewegen scheinen. Nachts scheinen die mehr als 1000 sichtbaren Sterne eine bestimmte Bahn zu verfolgen. Sie rotieren in Gruppen den sogenannten Konstellationen um einen Punkt im Himmel, den Himmelspol. Die ersten Durchmusterungen bestanden aus den Aufzeichnungen der Positionen und Bewegungen heller Sterne, Planeten und ihrer Monde. Die ersten dieser Aufzeichnungen (aus Ägypten, China, Zentral Amerika und Mesopotamien) datieren mehr als 5000 Jahre zurück. Diese wurden auf Steintafeln und Tempelwände geschrieben oder durch aufrechte Strukturen wie Stonehenge festgehalten. Der erste bekannte Sternkatalog mit 800 Sternen wurde in China um 350 v.Chr. von Shih Shen erschaffen.

Die Aufzeichnung und das Verständniss der Universums machte in dem Jahrtausen von 600 v.Chr. bis 400 n.Chr. einen großen Schritt vorwärts. Wärend dieser Periode entwickelten griechische Philosophen und Astronomen Theorien über die Funktionsweise des Kosmos. Mit diesen Theorien die auf detailierten Beobachtungen basierten, konnte man Vorhersagen für die Bewegung der Sonne des Mondes und der Planeten machen. Im 6. Jahrh. v.Chr. wurden geometrische Ideen eingeführt und der berühmte Mathematiker Pythagoras führte hunder Jahre später das Konzept konzentrischer Spären ein, um die Planetenbewegung zu erklären. Der Stand der griechischen Astronomie wurde im 4. Jahrh. v.Chr. von Aristoteles zusammengefaßt. Bald entwickelte sich ein Heliozentrisches Weltbild (auch wenn es sich nicht durchsetzte) und die Größe von Sonne und Mond, relativ zur Erde wurden von Aristarchus bestimmt.

Zweihundert Jahre später im 2. Jahrh. v. Chr. schritt die Astronomie weiter fort als Hipparchus die Trigonometrie entwickelte und sie einsetzte, um astronomische Entfernungen aus den beobachteten Positionen der Himmelskörper abzuleiten. Er bemerkte, daß die Astronomie genaue und systematische Beobachtungen während langer Beobachtungseit erfordert. Er verwendetete daher alte Beobachtungen und verglich diese mit seinen eigenen. Viele seiner Beobachtungen, besonders die der Planteten waren daher auch für spätere Astronomen bestimmt. Das epicyclische System des Hipparchus wurde von Ptolemäus zu dem verfeinert was wir das Ptolemäische Weltbild nennen. Dies war eine geometrische Darstellung des Sonnensystems das die Bewegung der Planeten mit bemerkenswerter Genauigkeit vorhersagte. Unter seinen anderen Errungenschaften war eine genaue Messung der Entfernung des Mondes durch eine Parallaxen Methode. Sein 13-Bändiges Lehrbuch, der Almagest faßte Großteile des antiken Astronomischen Wissens zusammen, und wurde in seinen vielen Übersetztungen zu einer Authorität für die nächsten 14 Jahrhunderte.

Die Geburtsstunde der modernen Astronomie

Eine Karte des Sternbilds Perseus aus der Uranometria, einem Sternatlas, der in der Mitte des 16. Jahrh. von Johann Bayer auf der Grundlage von Tycho Brahes Sternkatalog gezeichnet wurde.

Wärend die Astronomie in Europa führ über ein Jahrtausend einen Dornröschenschlaf schlief, machten muslimische und hinduistische Astronomen signifikante Fortschritte, und nur durch arabische Übersetzungen erreichten die Grundlegenden Forschungen der Griechen Europa. Das Wiederaufleben der europäischen Astronomie wird durch Kopernikus markiert. Sein 1543 veröffentliches Werk De revolutionibus orbium coelestium (über das Rotieren der Himmlischen Spären") behauptete, daß die Erde um ihre eigene Achse rotiert und zusammen mit den anderen Planeten um die Sonne. Wärend dieser Zeit wurden astronomische Observatorien in Europa errichtet, wie in Uraniborg auf einer dänischen Insel. Die berühmten Astronomen Tycho Brahe und Johannes Kepler benutzten die Observatorien um die genauesten und vollständigsten Beobachtungen ihrer Zeit zusammenzustellen.

Nahezu gleichzeitig war Galileo Galilei, der oft als Begründer der modernen Naturwissenschaft genannt wird, der erste der ein Teleskop in der Astronomie einsetzte. Dies revolutionierte für immer die moderne Astronomie, da es das menschliche Auge für die noch nie gesehenen Wunder des Universums öffnete. Im 17. und 18. Jahrh. verschmolzen Astronomie und Physik durch Isaac Newtons Bewegungs- und Gravitationsgesetz. Diese bildeten ein physikalische Grundlage führ die lediglich beschreibenden Kepplerschen Gesetze und wurden zur Grundlage der Fortschritte in der Astronomie führ zwei Jahrhunderte.

Die Durchmusterungen des 20. Jahrhunders

Die Astronomie wurde in der zweiten Hälfte des 19.Jahrh. durch die Photographie und die Spektrographie revolutioniert. Photographische Filme und Platten gestatteten es den Astronomen zum ersten Mal eine feste Aufzeichnung des Himmels vorzunehmen. Sie konnten nicht nur Bilder aufzeichnen sondern auch führ lange Zeiten belichtet werden und erlaubten es den Astronomen so immer schwächere und schwächere Objekte in immer größeren Entfernungen zu sehen. Um 1930 war den Astronomen klar, daß viele der verschwommenen Nebel tatsächlich andere Galaxien waren mit Billionen von Sternen. Um diese Objekte zu studieren, mußte man sie zuerst finden, und so wurden systematische Durchmusterungen des Himmels durchgeführt.

Eine Karte des gesammten Himmel auf Grundlage von digitalisierten Photoplatten des Palomar und UK 48 inch Schmidt Teleskops (Courtesy USNO).

Diese Durchmusterungen wurden duch die Entwicklung des Schmidt Teleskops ermöglicht, ein optischer Aufbau der es erlaubte große Bereiche des Himmels auf einmal zu photographieren. Das erste dieser Teleskope, eine 18" Version, nahm im Jahr 1936 seine Arbeit am Palomar Observatory auf und wurde benutzt um nach Supernoven zu suchen. Dieser Aufbau war so erfolgreich, daß auch eine größere 48" Version gebaut wurde um Beobachtungsobjekte für das neue 200" (5 Meter) Teleskop zu finden das in Palomar gebaut wurde. Mit dem 48" Schmidt begannen die Astronomen die ersten modernen Bemühungen um eine vollständige unabhängige Durchmusterung im Jahr 1949. Der National Geographic-Palomar Observatory Sky Survey (POSS I) stellt Daten von Optischen Quellen des nördlichen Himmels mit zwei Filtern dar. Ein ähnliche Durchmusterung wurde unternommen um den südlichen Himmel zu durchmustern. Diese Durchmusterungen erforderten Jahrzehnte und stellten eine Grundlegende Datenbasis zusammen. In den 80ern wurde eine neue Durchmusterung erforderlich, da immer größere Teleskope gebaut wurden. Mit dem selben 48" Schmidt Teleskop, jedoch mit einer verbesserten Photographischen Emulsion wurde der gesammte Himmel erneut abgebildet. Die nördliche Durchmusterung, die Second Palomar Observatory Sky Survey (POSS-II) wurde nun mit drei Filtern durchgeführt.

Mit dem Aufkommen von Computern und der digitalen Abbildung, wurde die Einsatzfähigkeit dieser Durchmusterungen gesteigert, indem man die Platten scannte und digitale Bilder erstellte, auf die jeder über das Internet zugreifen kann. Heutzutage kann jeder Bilder aus dieser und vielen anderen Durchmusterungen herunterladen, indem er Werkzeuge wie NASAsSkyViewverwendet. Zusäzlich wurden einhergehend mit der Entwicklung der Astronomie bei anderen Wellenlängen (radio:FIRST, X-ray:RASS, infrared:2MASS, etc.), umgehend Durchmusterungen des Himmels bei diesen neuen Wellenlängen durchgeführt.

Sloan Digital Sky Survey

	The SDSS 2.5m telescope

Heutzutage stellen moderne elektronische Detektoren (wie die CCD-Chips in handelsüblichen Digitalkameras) sehr viel größere Empfindlichkeit zur Verfügung als photographische Platten. Schnelle Computer und große Datenspeicher erlauben uns digitale Bilder des Himmel durch viele Filter aufzunehmen, und diese Daten weiterzuverarbeiten und zu speichern. Diese Technischen Fortschritte motivierten den Sloan Digital Sky Survey, der detailiert ein Viertel des Himmels aufzeichnen und die Position und die Helligkeit von mehr als 100 Millionen Himmelsobjekte bestimmen wird. Ebenfalls wird die Entfernung zu einer Million der nächsten Galaxien gemmessen und so ein dreidimensionales Bild des Universums in einem Bereich geben, der 100 mal größer ist als der bis heute erforschte. der Sky survey wird also die Entfernung zu 100000 Quasaren bestimmen, den entferntesten Objekten, und so Hinweise auf die Verteilung der Materie am Ende des sichtbaren Universums geben. Der Bereich des Universums der in dieser Durchmusterung beobachtet werden kann ist in etwa in unseren Fallschirmförmigen Logo wiedergegeben. Wir befinden uns im Zentrom des Logos am Schnittpunkt der Fasschirmschnühre, der ellyptische Hintergund hat die Umrisse eine Galaxie, der Himmelsobjekte von größtem Interesse führ die Durchmusterung

SDSS Filters
Name	Color	Wavelength
u'	Ultraviolet	3540Å
g'	Blue/green	4760Å
r'	Red	6280Å
i'	Far red	7690Å
z'	Near infrared	9250Å

Die Photometrische Karte des Himmels stellt die Flußdichten von Objekten gleichzeitig in fünf Wellenlängenbereichen dar. In der Nördlichen Galaktische Kappregion wird SDSSin etwa 10.000 Quadratgrad oder π Steradian beobachten. In der südlichen galaktischen Polregion wird der SDSS die selben Himmelsstreifen aufzeichnen, und es uns so erlauben, schwächere Objekte zu sehen.

Um die Durchmusterung durchzuführen, hat die SDSS-Kollaboration am Apache Point Observatorium in New Mexiko ein 2.5-Meter-Teleskop speziell entwickelt. Unsere Apparatur hat einen großen Blickwinkel (3°), der durch 30 2048x2048-CDD-Chips aufgezeichnet wird. Zusätzlich gibt es ein Paar Spektrografen mit Doppelfaserzuführung, mit denen man gleichzeitig 640 Spektra pro Feld messen kann.