Ein junges Forschungsgebiet

In den letzten Jahrzehnten hat sich die beobachtende Astronomie vom schmalen Bereich des sichtbaren Lichts, der eine Oktave mißt, auf das ganze elektromagnetische Spektrum ausgedehnt. Heute werden mehr als sechzig Oktaven zwischen dem langwelligen Radiobereich und der hochenergetischen Gammastrahlung im TeV-Bereich genutzt. Triebfeder dieser Entwicklung war die Erkenntnis, daß verschiedene Spektralbereiche ganz unterschiedliche, komplimentäre Einblicke in das kosmische Geschehen gestatten.

Zu den fruchtbarsten der neuen Spektralbereiche gehört die Röntgenastronomie mit Photonenenergienvon 0,1 - 500 keV. Es sind vor allem die Phänomene am Ende der Sternentwicklung, die am Röntgenhimmel hervortreten: Supernovaexplosionen, Neutronensterne und Schwarze Löcher. Im extragalaktischen Bereich dominieren am Röntgenhimmel einerseits aktive Galaxien - wie Radiogalaxien, Seyfert-Galaxien, Quasare - und andererseits Galaxienhaufen, die größten physikalischen Formationen in unserem Universum. Aber auch normale Sterne und normale Galaxien, die vergleichsweise schwache Röntgenstrahler sind, können mit modernen Teleskopen studiert werden. Und selbst Kometen, die als schmutzige Schneebälle gelten, sind am Röntgenhimmel sichtbar.

Die Emission von Röntgenstrahlung erfolgt in den kosmischen Objekten unter extremen Bedingungen. Heiße Plasmen mit Temperaturen von Millionen bis Milliarden Grad emittieren sie als Schwarzkörper- oder Bremsstrahlung. Synchrotonstrahlung und inverser Compton-Effekt haben ihren Ursprung in der Wechselwirkung extrem relativistischer Elektronen mit kosmischen Magnet- und intensiven Photonenfeldern. So lernt man an Röntgenbeobachtungen vor allem etwas über das heiße Universum und über Kernenergieprozesse. Sie sind oft mit explosiven Prozessen verbunden, die in der kosmischen Entwicklung eine ganz wesentliche Rolle spielen.

Anfänge und stürmische Entwicklung

Die Röntgenastronomie ist eine Errungenschaft des Raumfahrtzeitalters. Der direkte Nachweis der Röntgenstrahlung der Sonne gelang nach dem zweiten Weltkrieg in den USA mit Hilfe erbeuteter V-2-Raketen. Die erste kosmische Röntgenquelle, Scorpius X-1, und die kosmische Röntgen-Hintergrundstrahlung wurden 1962 gleichzeitig durch Zufall mit einem Raketenexperiment der National Aeronautics and Space Administration (NASA) entdeckt, das mit Geiger-Müller-Zählrohren ausgerüstet war und dessen eigentliches Ziel gewesen war, die vom Mond reflektierte Röntgenstrahlung der Sonne nachzuweisen.

Es folgten zahlreiche Raketen- und Ballonexperimente und eine ganze Reihe von Röntgensatelliten, die mit großflächigen Röntgenkollektoren ausgerüstet waren. Dazu gehörten vor allem 1971 der Satellit UHURU, mit dem die erste Himmelsdurchmusterung gemacht wurde, die 339 Quellen erbrachte.

Zu diesen Experimenten zählten ab 1973 in Deutschland Ballon-HEXE und später MIR-HEXE auf der sowjetischen Raumstation (1987-94), mit denen wir zusammen mit dem Astronomischen Institut der Universität Tübingen Messungen, vor allem an Neutronensternen und Schwarzen Löchern, gemacht haben. Ein Höhepunkt dieser Aktivitäten war die Entdeckung einer Zyklotronresonanzlinie im harten Röntgenspektrum des Neutronensterns Hercules X-1. Damit wurde es zum ersten Mal möglich, die Polfeldstärke eines solchen Objekts spektroskopisch zu bestimmen: 500 Millionen Tesla, das größte bisher gemessene Magnetfeld im Kosmos.

Ganz neue Möglichkeiten eröffneten sich durch die Einführung abbildender Teleskope, bei denen man sich die Reflektion von Röntgenstrahlen unter streifendem Einfall zu Nutze macht. Der Physiker Hans Wolter hatte 1951 in Kiel eine Spiegelkonfiguration erfunden, bei der ein Paraboloid- und ein Hyperboloidspiegel konfokal und koaxial hintereinder angeordnet sind, um ein Röntgenmikroskop zu bauen. Derartige Wolter-Teleskope wurden zuerst im Skylab für Untersuchungen der Sonnenkorona eingesetzt. 1978 folgte das Einstein-Observatorium der NASA und 1983 der EXOSAT der ESA, die mit Wolter-Teleskopen von 56 cm bzw. 17 cm Öffnung ausgerüstet waren.

Unsere Röntgengruppe begann 1972/73 mit Hilfe der Firma Carl Zeiss Röntgenspiegel systematisch zu untersuchen und zu entwickeln. Bereits in den Jahren 1974-77 konnten Paraboloidspiegel bei Raketenexperimenten eingesetzt werden, um alte Supernovaüberreste in den Sternbildern Vela und Cygnus zu spektroskopieren. Der Einsatz unseres ersten Wolter-Teleskops mit 32 cm Öffnung auf einer Skylark-Rakete 1979 wurde ein großer Erfolg. Das Bild der Supernovahülle Puppis A war die erste Röntgenaufnahme vom Himmel, die je mit einem spektralauflösenden Bilddetektor gemacht wurde, einem im MPE entwickelten positionsempfindlichen Proportionalzähler. Später wurde das 32-cm-Teleskops für Aufnahmen der Supernovahülle Cassiopeia A (1981) und der Supernova 1987A eingesetzt.

Aber unser Ziel war von Anfang an, ein Röntgenteleskop auf einem Satelliten zu fliegen. Die endgültige Genehmigung dieses Großprojektes, mit dem Namen ROSAT (ROentgenSATellit), das mit einem Vorschlag an das Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMFT) bis ins Jahr 1975 zurückreicht, wurde 1982 erteilt, nachdem die politische Vorgabe einer internationalen Beteiligung erfüllt worden war:

Mit dem britischen Beitrag eines Wolter-Teleskop für den XUV-Bereich konnte der Spektralbereich nach langen Wellenlängen hin ausgedehnt werden.

Die NASA war bereit, sich mit einem kostenlosen Start mit dem Space Shuttle und einem hochauflösenden Bilddetektor für das Röntgenteleskop zu beteiligen.

Noch im Jahr der Genehmigung wurde mit dem Bau des Satelliten begonnen.

ROSAT

Mit ROSAT, benannt nach Wilhelm Conrad Röntgen, dem Entdecker der Röntgenstrahlung, wurde am 1. Juni 1990 ein Wolter-Teleskop gestartet, das um ein Vielfaches leistungsfähiger ist als seine Vorgänger. Eines der wichtigsten Ziele war, zum ersten Mal mit einem abbildenden Röntgenteleskop den ganzen Himmel zu durchmustern. Dieser Teil der Mission dauerte ein halbes Jahr und wurde im Februar 1991 abgeschlossen. Dabei konnten Quellen erfaßt werden, deren Intensität hundertmal schwächer waren als die schwächsten Quellen bisheriger Röntgendurchmusterungen. Entsprechend reich ist die wissenschaftliche Ausbeute. Die Auswertungen haben ergeben, daß mit der ROSAT-Durchmusterung mehr als 60.000 Röntgenquellen gefunden wurden. Ihre Anzahl übertrifft damit die des bisher umfangreichsten "all-sky survey" des HEAO-I Satelliten mit 840 Quellen um fast zwei Größenordnungen.

Im Anschluß an die Himmelsdurchmusterung, d.h. seit sechseinhalb Jahren, wurde ROSAT für Detailbeobachtungen einzelner Quellen eingesetzt. Die Beobachtungszeit wird dabei ausgeschrieben und verteilt sich weltweit auf annähernd tausend Gastbeobachter. Insgesamt wurden bisher mehr als 7,000 Einzelbeobachtungen ausgeführt.

ROSAT-Himmelsdurchmusterung und Detailbeobachtungen haben eine reiche Ernte von nahezu 150,000 Röntgenquellen erbracht, die in ihrer Qualität und Quantität alles in den Schatten stellt, was bisher mit abbildenden Röntgenteleskopen gefunden wurde. An dieser Stelle kann leider nur auf die zahlreichen Veröffentlichungen, "Highlights", Fachkonferenzen und auf die ROSAT-Bildersammlung hingewiesen werden.

Laufende Projekte

Einige Röntgensatelliten arbeiten bereits seit geraumer Zeit parallel zu ROSAT, z.B. der russische Granat, der mit amerikanischer Unterstützung gebaute japanische ASCA, von den Niederlanden und vom MPE unterstützte italienische BeppoSAX oder der amerikanische RXTE. Die Zusammenarbeit zwischen ASCA und ROSAT ist besonders stark und intensiv, da sich die Satelliten in ihren Eigenschaften sehr gut ergänzen: Während ROSAT sich durch eine hohe Empfindlichkeit im 0,1 - 2,4 keV Energieband und gute Abbildungseigenschaften auszeichnet, besitzt ASCA eine hohe spektrale Auflösung in einem Bereich, der sich zu höheren Energien (0,5 bis 10 keV) hin ausdehnt.

Große Röntgen-Observatorien

Auch nach ROSAT geht die Röntgenastronomie weiter. Nationale und internationale Nachfolgeprogramme, an denen auch unser Institut beteiligt ist, sind angelaufen und liefern große Mengen interessanter Daten.

Die beiden Röntgengroßprojekte sind amerikanische bzw. europäische Initiativen, die sich in ihrer wissenschaftlichen Zielsetzung ergänzen:

Die amerikanische Advanced X-ray Astrophysics Facility, nun Chandra genannt, wurde am 23. Juli 1999 gestartet. Das große Röntgenteleskop von 10 m Brennweite und 120 cm Öffnung mit vier ineinandergeschachtelten Wolter-Spiegeln erreicht zusammen mit einem Michrochanneldetektor, ähnlich dem HRI an Bord von ROSAT, ein räumliches Auflösungsvermögen von 0,5 Bogensekunden (also zehnmal besser als ROSAT). Als zweiter Detektortyp ist ein Röntgen-CCD in Betrieb. Beide Detektoren können zusammen mit Transmissionsgittern betrieben werden und haben im Energiebereich von 0,1 bis 10 keV eine hohe spektrale Empfindlichkeit mit hoher spektraler Auflösung. Das Low Energy Transmission Grating (LETG) von Chandra ist ein gemeinsamer Beitrag der Niederländischen Organisation für Weltraumforschung (SRON) und dem MPE.

Das europäische Gegenstück ist der X-ray Multi-Mirror Satellit (XMM-Newton) . Er wurde am 10. Dezember 1999 gestartet und ist mit drei großen Wolter-Spiegelsystemen ausgerüstet, von denen jedes bei einer Brennweite von 7,50 m aus 58 ineinandergefügten Spiegelschalen besteht. Mit seiner großen Sammelfläche und verschiedenen Halbleiter-Kameras (European Photon Imaging Cameras, EPIC) ist XMM-Newton besonders geeignet, detaillierte und hochauflösende Röntgenspektren aufzunehmen und Zeitvariabilitätsstudien durchzuführen. Das MPE trug zur Entwicklung von XMM-Newton in mehrfacher Weise bei: Röntgen-optisches Design und Testmessungen des Spiegelsystems; Entwicklung, Bau und Tests des neuartigen pn CCD Detectors und Teilnahme an den XMM-Newton Bodenkalibrationen. Seit dem Start wird die Funktion der EPIC pn Kamera und die In-Flug Eichung von der Röntgenkalibrationsgruppe am MPE betreut.

Technologietreiber Röntgenastronomie

Nicht zuletzt hat unsere wissenschaftliche Neugierde auch ganz wesentlich mit Erstentwicklungen zum technologischen Fortschritte beigetragen:

Die Firma Carl Zeiss hat für unsere Röntgenspiegel superglatte Oberflächen entwickelt, hergestellt und bereits anderweitig genutzt. Unter anderem wird diese Technologie auch in der modernen Brillenherstellung angewandt.

Mit der Firma Dr. Johannes Heidenhain wurden freitragende Mikrostrukturen für unsere Gitterspektrometer entwickelt und gebaut, die technologisch z.B. für Längenmaßsysteme interessant sind, die in computergesteuerten Werkzeugmaschinen eingesetzt werden.

Für unsere schnellen hochauflösenden CCD-Röntgenbildwandler wurde zusammen mit dem Max-Planck-Institut für Physik ein eigenes Halbleiterlabor eingerichtet - zukünftige Einsatzfelder können von der Medizin bis hin zur Materialforschung reichen.

Dagegen ist eine von der DASA und vom GSOC für ROSAT entwickelte Satelliten-Lageregelung bereits für über 50 Kommunikations-Satelliten zum Standard geworden.

Weiterführende Literatur

Der unsichtbare Himmel - Astronomie mit ROSAT , B. Aschenbach, M.-M. Hahn, J. Trümper, 1996 Birkhäuser Verlag, Basel · Boston · Berlin

ROSAT, Broschüre, herausgegeben vom Bundesministerium für Forschung und Technologie, Bonn und von der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt, Köln · die elektronische Ausgabe wurde aktualisiert und verändert

O.S.  ·  08/06/1997

F.H.  ·  19/06/2006