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Astronomie: Happy Birthday, Hubble!

Fünf Reparaturmissionen brauchte das Weltraumteleskop Hubble, um 30 Jahre alt zu werden. Heute kann man sagen: was für ein Glück. Es ist längst eine fliegende Legende - und macht einfach immer weiter.
Der Galaxiencluster Abell 370 mit Einsteinringen

Seit drei Jahrzehnten ist es eine Selbstverständlichkeit: 568 Kilometer über unseren Köpfen schwebt ein Teleskop, das unermüdlich ins Weltall hinausspäht. Seine Bilder führen der Menschheit vor Augen, wie groß und vielseitig der Kosmos ist. Damit hat es eine Berühmtheit erlangt, wie sie nur die wenigsten wissenschaftlichen Instrumente erreichen. Was das Hubble-Weltraumteleskop ist, wissen heute bereits Grundschüler.

Nun wird der Star unter den Teleskopen 30 Jahre alt. Am 24. April 1990 beförderte das Spaceshuttle »Discovery« Hubble in den Erdorbit. Es war der Beginn eines großen Abenteuers: Mehrmals musste das Instrument mit seinem 2,4-Meter-Spiegel repariert werden, immer wieder stand das Projekt vor dem Aus. Doch Hubble beobachtet weiterhin ferne Gegenden des Weltalls – und wird dies vermutlich auch noch einige Jahre tun.

Hubble-Teleskop | 1990 startete das Teleskop mit seinem 2,4 Meter großen Spiegel ins Weltall.

Abenteuerlich war bereits die Entstehungsgeschichte des Projekts: Von der Planung bis zur Realisierung dauerte es Jahrzehnte. Die Ideen kursierte bereits unter Astronomen, lange bevor der erste künstliche Satellit den Erdorbit erreicht hatte: 1947 argumentierte beispielsweise Lyman Spitzer, einflussreicher Professor an der amerikanischen Yale-Universität, dass ein Teleskop im Weltall Sterne und Galaxien ungestört beobachten könnte, viel besser als von der Erde aus. Tatsächlich taucht der Gedanke bereits in den 1920er Jahren in Büchern des Raketenpioniers Hermann Oberth auf.

Die Lufthülle unseres Planeten blockiert große Teile des elektromagnetischen Spektrums, darunter Licht im Ultravioletten und fernen Infrarot sowie Röntgenstrahlung. Gut für uns Menschen, wir verdanken diesem natürlichen Schutzschild unser Leben. Für Astronomen ist er ein Hindernis.

Nach der ersten Idee dauerte es eine Weile, bis sich konkrete Pläne herauskristallisierten: Erst das »Space Age«, also der Wettlauf zum Mond und die allgemeine Technikbegeisterung in den USA der 1960er Jahre, gaben der Idee vom Weltraumteleskop den nötigen Schub. Die Pläne entsprachen dem Zeitgeist: Ein »Large Space Telescope« (LST) schlug die National Academy of Sciences 1966 vor, inklusive Hauptspiegel mit drei Meter Durchmesser.

Ein Gigant für den Erdorbit

Das wäre nicht viel kleiner gewesen als das damals größte erdgebundene Teleskop der Welt, der Fünf-Meter-Spiegel auf dem Palomar Mountain bei San Diego. Andere Pläne waren zwar bescheidener. Doch der abflauende Weltraumenthusiasmus nach Ende des Apollo-Programms nahm allen Ideen den Wind aus den Segeln, zumal sich die geplanten Kosten Anfang der 1970er Jahre auf rund 500 Millionen Dollar summierten.

Erst die Verkleinerung des Spiegels auf 2,4 Meter, Einsparungen bei den Instrumenten und die Zusage der Europäer, sich an Teleskop und Kosten zu beteiligen, bewegten den US-Kongress, dem Projekt doch noch grünes Licht zu geben. Mittlerweile schrieb man das Jahr 1977. Immerhin war zu diesem Zeitpunkt klar, auf welche Weise das Teleskop an seinen Arbeitsplatz gebracht werden sollte: mit dem »Space Shuttle«, Amerikas stolzer neuer Raumfähre.

Die »Säulen der Schöpfung« im Adlernebel | Eine der berühmtesten Aufnahmen des Weltraumteleskops Hubble ist diese Detailansicht des Adlernebels Messier 16, welche die »Säulen der Schöpfung« zeigt. In den dunklen Wolken aus Gas und Staub entstehen neue Sterne.

Sie sollte ursprünglich Mensch und Material schnell und kostengünstig zwischen Erde und der zu bauenden amerikanischen Raumstation hin- und hertransportieren. Doch der bemannte Außenposten sollte erst rund 20 Jahre später Wirklichkeit werden, als Internationale Raumstation ISS. Dem Spaceshuttle, dem zu dieser Zeit ein konkreter Daseinszweck fehlte, kam das Weltraumteleskop daher gerade recht. Umgekehrt galt das allerdings genauso: Das LST-Konzept sah von vornherein regelmäßige Wartungsmissionen vor, und die benötigten eine Raumfähre.

Zu dieser Zeit diskutierte man sogar den Plan, das Teleskop zur Wartung regelmäßig auf die Erde zurückzubringen. Das stellte sich aber als zu teuer heraus. Hubble musste daher im Weltraum repariert werden, wenn etwas schiefging. Das sollte noch eine wichtige Rolle in der Geschichte des Teleskops spielen.

Verzögerungen und ein Unglück

Der erste Starttermin 1983 verstrich, das Teleskop war nicht rechtzeitig fertig geworden. Dafür entstand im gleichen Jahr das Space Telescope Science Institute (STScI) im US-Bundesstaat Maryland als Zentrale auf der Erde. Und das Teleskop bekam seinen Namen.

Der Namensgeber Edwin Hubble war einer der prominentesten Astronomen des 20. Jahrhunderts. Er bewies, dass der Andromedanebel eine eigene Galaxie außerhalb unserer Milchstraße ist, und entschied damit einen lange währenden Forscherstreit über die Größe des Universums. Und er ergründete das später nach ihm benannte »Hubble-Gesetz«, das die Expansion des Universums beschreibt – wenngleich diese Idee bereits Jahre früher von dem Belgier Georges Lemaître formuliert wurde.

Den nächsten Starttermin im Oktober 1986 verpasste das Hubble-Teleskop aus einem dramatischeren Grund. Zehn Monate zuvor, am 28. Januar 1986, hatte das Shuttle »Challenger« in den Himmel über Florida abgehoben. Was zuerst wie ein Routinestart aussah, wurde zur Katastrophe: Eine Minute nach dem Start explodierte die Raumfähre in einem gewaltigen Feuerball. Alle sieben Besatzungsmitglieder starben. Für das Weltraumteleskop bedeutete dies nicht nur eine weitere Verzögerung. Eine Zeit lang schien das ganze Projekt auf der Kippe zu stehen.

Knick in der Optik | Wegen seines leicht verformten Hauptspiegels lieferte Hubble zunächst nur verschwommene Bilder, wie man an der Aufnahme der Galaxie M100 sieht (links). Erst als das Weltraumteleskop 1993 von Astronauten eine Art Brille verpasst bekam, besserte sich die Lage (rechts).

Doch 1988 flogen die Spaceshuttles wieder. Die zusätzliche Zeit nutzten die Ingenieure und Wissenschaftler für weitere Verbesserungen am Teleskop. Dabei übersahen sie jedoch etwas: Die ersten Bilder, die Hubble nach dem Start 1990 zur Erde funkte, waren kaum besser als das, was erdgebundene Großteleskope lieferten.

Hubble braucht eine Brille

Die Ursache: Der Hauptspiegel war zwar mit der beabsichtigten Genauigkeit geschliffen worden – aber leider in der falschen Form. Wegen eines falsch kalibrierten Messgeräts waren die Kanten des Hohlspiegels zu flach, um ein Fünfzigstel der Dicke eine Haares. Zwar konnten die Wissenschaftler das Teleskop mit Abstrichen dennoch nutzen, der Spott ließ jedoch nicht lange auf sich warten, erinnerte sich Hubble-Nachrichtenchef Ray Villard vor einigen Jahren in einem Vortrag: »›To hubble‹ entwickelte sich kurzfristig zu einem Verb in der englischen Sprache. Seine Bedeutung: ›einen unerhört dummen Fehler machen, zu exorbitanten Kosten‹.«

Zum Glück für das Team setzte sich die Wortschöpfung nicht durch, der Spott verstummte. Und im Dezember 1993 gelang es Astronauten, eine Korrekturoptik namens COSTAR einzubauen: Hubble bekam eine Brille. Fortan erfüllten die Bilder die Erwartungen der Wissenschaftler. Im Lauf der Jahre tauschten Astronauten auch die restlichen Instrumente, Kameras, Spektrografen und Photometer gegen modernere Geräte aus. Da diese bereits über interne Korrekturoptiken verfügten, baute man COSTAR 2002 wieder aus und brachte es zur Erde zurück. Hubbles Sehhilfe befindet sich seitdem im National Air and Space Museum in der Hauptstadt Washington.

Hubble spähte immer weiter ins Weltall hinaus – und übertrug seine Bilder brav zu Erde. Vom Kontrollzentrum in Maryland erreichen sie seitdem die ganze Welt. Da sind zum Beispiel die berühmten Aufnahmen aus dem Jahr 1994, die den Kometen Shoemaker-Levy 9 zeigen. Dieser wurde erst von den Gezeitenkräften des Jupiters in ein Dutzend Fragmente zerrissen. Am 16. Juli 1994 schlug schließlich das erste Fragment in die Atmosphäre des Riesenplaneten ein, die anderen folgten innerhalb weniger Tage. Hubble war live dabei, als kurz nach dem Aufprall dunkle Wolken über der Einsturzstelle erschienen, ähnlich Atompilzen, aber 1000-mal größer.

Einschlag eines Fragments von Shoemaker-Levy 1994

Mindestens genauso berühmt ist das wohl am häufigsten gedruckte Bild des Hubble-Teleskops, die »Säulen der Schöpfung«. Sie zeigen einen Ausschnitt aus dem »Adlernebel«, einer Gaswolke unserer Milchstraßengalaxie. Im Jahr 1995 lichteten vier separate Kameras an Bord von Hubble die drei Lichtjahre messenden, säulenartigen Gebilde aus Wasserstoff und Staub ab. In ihnen entstehen neue Sterne und Sternsysteme, daher der Name.

20 Jahre später veröffentlichte die NASA eine neue, verbesserte Version des Bildes. Möglich, dass die Säulen längst nicht mehr existieren: 2009 folgerten Astronomen nach Sichtung von Aufnahmen des Spitzer-Weltraumteleskops, dass die Schockwelle einer Supernova die Gebilde bereits vor 6000 Jahren zerstört haben könnte. Da das Licht vom Adlernebel allerdings 6500 Jahre bis zur Erde braucht, kam Hubble gerade noch rechtzeitig zu seinen Schnappschuss.

Bei diesem und anderen Postermotiven kann man als Beobachter leicht vergessen, dass Hubble eigentlich nur Schwarz-Weiß-Bilder schießt, so wie alle Teleskope. Die Farbgebung erfolgt erst bei der populärwissenschaftlichen Aufbereitung. Bei Hubble ist dafür eine eigene Arbeitsgruppe zuständig. Die Mitarbeiter dort färben die Bilder allerdings nicht so ein, wie sie Menschen mit bloßem Auge sehen würden. Stattdessen werden beobachtete Wellenlängen derart verschiedenen Farben zugewiesen, dass ein möglichst großer Kontrast entsteht – oder eben ein möglichst hübsches Poster.

Hubble hat nicht nur Objekte innerhalb unserer Galaxie ins Visier genommen, sondern blickte regelmäßig noch viel weiter ins All hinaus. Die Vielzahl der Galaxien, die Hubble im Lauf der Jahre fotografiert hat, ist atemberaubend. Besonders interessant sind für Astronomen solche Systeme, die mit einer anderen Galaxie verschmelzen und dabei zu einem noch größeren Gebilde werden – ein Prozess, der hunderte Millionen Jahre dauert. Für uns sind Hubbles Bilder nicht nur ein Blick in die Vergangenheit, sondern auch in eine ferne Zukunft. Schließlich wird auch die Milchstraße in einigen Milliarden Jahren mit der Andromedagalaxie verschmelzen.

Blick zum Anbeginn der Zeit

In die ferne Vergangenheit blickt auch eine andere Ikone aus dem Beobachtungskatalog: Im Dezember 1995 richteten die Astronomen das Teleskop zehn Tage lang auf einen scheinbar leeren Himmelsflecken im Sternbild Großer Bär. Das Ergebnis war das mittlerweile legendäre »Hubble Deep Field«: Statt gähnender Leere zeigt es rund 3000 Galaxien. Viele von ihnen sind so weit entfernt, dass ihr Licht über zehn Milliarden Jahre unterwegs war, ehe es auf Hubbles Kamerasensoren traf. Das Bild hat einige Ableger: eine südliche Version (1998), das Hubble Ultra Deep Field (2004) sowie das Extreme Deep Field (2012). Doch wie so oft ist es das Original, das den größten Bekanntheitsgrad erworben hat.

Hubble Deep Field | Hubble nahm das ikonische, aus mehreren kleineren Bildern zusammengesetzte Bild im Jahr 1995 auf. Zu sehen sind tausende Galaxien in verschiedenen Stadien ihrer Entwicklung.

Astronomen nutzen die tiefen Blicke in das Universum, um die Entstehung und Entwicklung der Galaxien besser zu verstehen. Hubbles Bilder, lobte die »New York Times« im Jahr 2002, zeigen einen Kosmos, den sich die Menschheit lange Zeit nur vorstellen konnte: »Hinter der Gleichförmigkeit des Universums, wie wir es mit dem bloßen Auge sehen, gibt es ein anderes Universum […]: einen Ort voll ungleichförmiger Objekte in umwälzendem Aufruhr. Galaxien, die einander verschlingen. Sterne, die in einem Inferno aus Gas, Staub und Licht entstehen. Und das alles vor der Kulisse eines beinahe unvorstellbar tiefen Himmels.«

Eine der größten Leistungen des Teleskops ist indes kein Bild, sondern eine Zahl. Die berühmte Hubble-Konstante, die entscheidende Größe des Hubble-Gesetzes, war bis in die 1990er Jahre unter Kosmologen heftig umstritten. Sie bestimmt die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums und den Zeitpunkt des Urknalls. Hubble, das Teleskop, löste den Konflikt – zumindest vorläufig. Neueste Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds liefern eine um etwa acht Prozent kleinere Konstante. Forscher rätseln noch über die Ursache dieser Diskrepanz, sicher ist aber: Dank Hubble und anderen Satelliten wurde die Kosmologie von einer Disziplin der groben Schätzungen zur Präzisionswissenschaft.

Sein Erfolg und die gute Öffentlichkeitsarbeit verschafften Hubble Kultstatus. Doch auch der schien nicht zu helfen, als Hubble in seine wohl größte Krise geriet. Erneut war es das tragische Ende einer Raumfähre, diesmal der »Columbia«. Am 1. Februar 2003 brach sie beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre auseinander. Wie beim »Challenger«-Unglück kamen alle sieben Besatzungsmitglieder ums Leben. Als Verursacher stellten Ingenieure später ein Stück Isolierschaum fest, das beim Start auf den linken Flügel des Spaceshuttles gefallen war und ein Loch gerissen hatte.

Uranus im Blick von Hubble | Mit dem Weltraumteleskop Hubble wurde diese Aufnahme des Planeten Uranus, seiner Ringe und einiger Monde aufgenommen. Das Bild entstand im nahen Infraroten und ist in Falschfarben wiedergegeben.

Wieder wurden die Flüge ausgesetzt, doch dieses Mal zeichnete sich ein Ende des Shuttleprogramms ab: Noch bis zum fertigen Ausbau der ISS sollten die Raumfähren fliegen und danach in den Ruhestand gehen. Besonders schlimm für Hubble: Aus Sicherheitsgründen sollten die Shuttles nur noch zur Raumstation fliegen, wo sich die Astronauten im Notfall in Sicherheit bringen konnten. Damit war an weitere Servicemissionen, welche die Lebensdauer des Teleskops hätten verlängern können, eigentlich nicht mehr zu denken.

Eine letzte Servicemission

Die aber hatte das inzwischen in die Jahre gekommene Teleskop nötig. Schon beim dritten Vor-Ort-Check 1999 ging es nicht allein um den Austausch wissenschaftlicher Instrumente und um Wartungsarbeiten, sondern auch um essenzielle Reparaturen. Drei der sechs Kreiselstabilisatoren waren Ende der 1990er Jahre ausgefallen. Ohne diese Geräte zur Lageregelung kann sich das Teleskop nicht selbstständig ausrichten. Hubble hatte deshalb automatisch in einen Sicherheitsmodus geschaltet, in dem nur die wichtigsten Systeme arbeiten, aber keine wissenschaftlichen Arbeiten möglich sind.

Das James Webb Space Telescope | Das James Webb Telescope mit seinem segmentierten 6,5-Meter-Hauptspiegel gilt als Nachfolger des Weltraumteleskops Hubble. Es dient der Infrarotastronomie und sollte eigentlich im Jahr 2015 starten. Nach neueren Schätzungen wird es wohl frühestens 2021 werden.

Öffentliche Proteste und das Einschreiten des US-Kongresses sowie ein Wechsel an der NASA-Spitze sorgten schließlich dafür, dass es am Ende fünf Servicemission wurden. Im Mai 2009 bekam Hubble zum letzten Mal Besuch von Astronauten. Neben einer neuen Kamera und einem Spektrografen reparierten die Raumfahrer auch einen Computer, der für die Weiterleitung der Kommandos an die wissenschaftlichen Instrumente zuständig war und der kurz zuvor ausgefallen war. Damit war Hubble wieder voll einsetzbar – vorerst.

Allerdings mehrten sich mit den Jahren die mechanischen Wehwehchen: Im Dezember 2018 machten erneut die Gyroskope Probleme, im Januar 2019 eine der Kameras an Bord. Letztlich haben die zuständigen Wissenschaftler beide Probleme in den Griff bekommen – und hoffen noch auf viele Jahre, in denen der Methusalem unter den Weltraumteleskopen weiter seinen Dienst tut.

Ewig wird Hubble wohl nicht mehr durchhalten. Wenn es irgendwann den Betrieb einstellt, wird hoffentlich sein Nachfolger in Stellung sein: Das James Webb Space Telescope kommt mit einem nochmals deutlich größeren Spiegel daher, der aus mehreren aufklappbaren Segmenten besteht. Sein Start ist jedoch immer wieder verschoben worden, zuletzt wegen der Corona-Krise. Und auch wenn das »James Webb« wissenschaftlich das deutlich modernere Instrument sein wird: So schöne Fotos wie Hubble wird es nicht liefern. Statt auf sichtbares Licht ist James Webb auf Infrarotstrahlung spezialisiert.

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