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Beobachtende Astronomie: Mit dem Kamm durchs Universum

Im Jahr 2005 war er dem Nobelpreiskomitee eine Auszeichnung wert: der Frequenzkamm. Auch für die Astronomie könnte er von unschätzbarem Wert sein - als präziser Tacho für Sterne oder sogar das Universum. Ein Experiment stellt das Potenzial der neuen Methode nun erstmals auch in der Praxis unter Beweis.
Illustration des ExperimentsLaden...
Was sich in kosmischen Dimensionen abspielt, macht sich auf der Erde oft nur als Winzigkeit bemerkbar. Deshalb können Astronomen derzeit zum Beispiel nicht direkt nachweisen, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Und selbst bei weniger abstrakten Gegenständen hapert es noch: etwa der Suche nach erdähnlichen Planeten, die um ferne Sterne kreisen. Mit der handelsüblichen Methode lassen sich bisher nur Exoplaneten von der Größe des Jupiters oder Saturns aufspüren.

Dabei verraten sich die Trabanten einer fremden Sonne indirekt: Wenn sie um ihren Stern kreisen, spürt dieser einen Rückstoß und bewegt sich dadurch periodisch hin und her. Das stellen Astronomen anhand des Dopplereffekts fest – das akustische Analogon dazu ist die Sirene eines Krankenwagens, die höher klingt, wenn er sich nähert, und tiefer, wenn er sich entfernt. Auf diese Weise verschiebt sich auch das Licht eines derart zitternden Gestirns. Kommt er auf uns zu, erscheint sein Licht ins Blaue verschoben, zerren ihn seine Begleiter von uns weg, wirkt es rötlicher.

Stern mit PlanetLaden...
Stern mit Planet | Die Anwesenheit eines Planeten (grün) löst bei einem Stern (rot bzw. blau) eine leichte Zitterbewegung aus. Sie ist synchronisiert mit der Umlaufbahn des Planeten und verursacht eine periodische Variation der Spektrallinien beziehungsweise der Farbe des Sterns – was hier ebenfalls sehr übertrieben dargestellt ist. Tatsächlich bedarf es der Genauigkeit einer Atomuhr, um einen kleinen Planeten wie die Erde zu bemerken.
Bislang können Astronomen den Dopplereffekt lediglich bei Sternen beobachten, die sich mit zehn Metern pro Sekunde auf die Erde zu oder von ihr weg bewegen. Zum Vergleich: Die Erde verpasst der Sonne einen Schubs von zehn Zentimetern pro Sekunde. Nur massereiche oder sehr eng kreisende Exemplare ziehen so stark an ihrem Zentralstern, dass der Effekt auf der Erde messbar ist. Ein internationales Forscherteam um Tilo Steinmetz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat jetzt ein Messprinzip erprobt, das solche Beobachtungen auch für erdähnliche Planeten ermöglichen soll.

Bevor Astronomen die Strahlung von Sternen analysieren, schicken sie diese für gewöhnlich durch einen Spektrografen. Wie ein Prisma spaltet er das Spektrum des Lichts in seine einzelnen Spektralfarben oder Frequenzen auf. Damit diese genau vermessen werden können, muss ein solches Instrument geeicht sein – so wie auch ein Lineal korrekt beschriftet sein muss, um Längen präzise zu messen. Denn wegen Instabilitäten liefern selbst die besten Spektrografen für ein und dasselbe Gestirn in zwei Messungen zwei leicht verschiedene Spektren, auch wenn sich das Licht des Sterns gar nicht verändert hat.

Um das Strahlungsspektrum auf verlässlichere Weise zu ermitteln, machen sich Steinmetz und seine Kollegen einen so genannten Frequenzkamm zu Nutze. In diesem besonderen Kamm fächern Physiker einen Laserstrahl zu einer Reihe von Spektrallinien auf, deren Frequenzen, also Farben, sie sehr exakt bestimmen können. "Das Ergebnis hängt hierbei nur von der Genauigkeit der Atomuhr ab, mit der wir die Frequenzen abzählen", erklärt Thomas Udem vom MPI. Die Spektrallinien eines Sterns oder anderen Himmelsobjekts vergleichen die Wissenschaftler dann mit diesem Frequenzkamm.

FrequenzkammLaden...
Frequenzkamm | Die Pulse aus einem Frequenzkamm-Laser bestehen aus sehr schnellen Schwingungen, die keine Elektronik auflösen kann. Die scharfen Frequenzbänder ähneln den Zinken eines Kamms – daher der Name "Frequenzkamm".
"Da wir genau wissen, wo die Linien des Frequenzkamms liegen, können wir die Schwankungen aus den Messungen herausrechnen und unsere Messgenauigkeit so drastisch erhöhen", berichtet Udem weiter. Bislang hat das Wissenschaftlerteam mit der neuen Messmethode die Instabilitäten eines Spektrografen soweit korrigiert, dass die Geschwindigkeit eines beobachteten Objekts nur noch um scheinbare neun Meter pro Sekunde schwankt. Und das sei bereits ein bisschen besser als der derzeitige Standard. Dabei testeten sie die neue Methode mit einem Sonnenteleskop auf Teneriffa, welches für diesen Zweck gar nicht ausgelegt ist.

Manche Teleskope liefern dagegen Ergebnisse, die auch ganz ohne Kalibrierung schon mehr als zehn Millionen Mal stabiler sind. Diese wollen die Forscher um Steinmetz in Zukunft mit der neuen Technik kombinieren. Außerdem haben die Wissenschaftler bislang nur einen Frequenzkamm mit ein paar hundert Zähnen verwendet. "Wir können aber mit mehreren Zehntausend messen", so Udem. Daher sind die Forscher sehr zuversichtlich, dass sie mit einem optimalen Aufbau auch Geschwindigkeitsschwankungen von einem Zentimeter pro Sekunde nachweisen können. Damit wäre ihre Methode etwa tausendmal genauer als derzeit verfügbare Verfahren.

Neben zahllosen Ebenbildern der Erde ließe sich dann vielleicht auch das von einer mysteriösen Dunklen Energie angetriebene Universum überführen. Denn mit der derzeit möglichen Messgenauigkeit müssten Astronomen die Dynamik ferner Galaxien mehrere tausend Jahre lang studieren, um den vorausgesagten Effekt festzustellen. Mit dem Frequenzkamm sollte sich aber bereits nach rund zehn Jahren zeigen, ob sich das Universum tatsächlich immer schneller ausdehnt oder ob schlicht und einfach die gegenwärtigen Theorien fehlerhaft sind. Dank der neuen Technik stehen die Chancen jedenfalls relativ gut, dass wir das Ergebnis noch miterleben.
05.09.2008

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 05.09.2008

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  • Quellen
Steinmetz, T. et al.: Laser Frequency Combs for Astronomical Obervations. In: Science 321, S. 1335–1337, 2008.

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