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NOBELPREISE PHYSIK 2002
Erstaunlicher neuer Blick auf das Universum
von
Hans Zekl
für
astronews.com
17. Oktober 2002
Der
Physik-Nobelpreis geht in diesem Jahr an drei Astrophysiker: Je ein
Viertel erhalten der Japaner Masatoshi Koshiba und der Amerikaner Raymond Davis
Jr. für ihre grundlegenden Arbeiten zur Erforschung kosmischer Neutrinos. Die
andere Hälfte des mit 1,1 Millionen Euro dotierten Preises geht an den
amerikanischen Physiker Riccardo Giacconi, der den
Grundstein für die Röntgenastronomie legte. astronews.com stellt die drei
Preisträger und ihre Forschung in einer kleinen Reihe vor. Heute: Riccardo Giacconi
Riccardo Giacconi.
Foto:
NASA/CXC/SAO |
Riccardo Giacconi wurde 1931 in Genua, Italien, geboren und ist heute
Staatsbürger der Vereinigten Staaten. Er ist Präsident der Associated
Universities Inc. (AUI) in Washington. Seine wissenschaftliche Laufbahn
begann er in Italien und promovierte wie Koshiba mit einer Arbeit über die
kosmische Strahlung. 1959 ging er in die USA zum privaten Forschungsinstitut
American Science and Engineering Corporation (ASE) und widmete sich unter
anderem der kosmischen Röntgenstrahlung. Er und seine Mitarbeiter entwickelten
die ersten Röntgenteleskope und betraten damit technisches Neuland.
1962 entdeckten die Wissenschaftler bei einem ballistischen Flug die erste
Röntgenquellen außerhalb unseres Sonnensystems. Danach konstruierte Giacconi
noch empfindlichere Geräte, die mit Satelliten in eine Erdumlaufbahn gebracht
werden sollten. Der erste, UHURU, wurde 1970 von Kenia aus gestartet. Eine Woche
später waren Hunderte neuer kosmischer Röntgenquellen entdeckt, mehr als bei
allen Experimenten zuvor. Später entwickelte er das Einstein-Röntgenteleskop,
das 1978 in Betrieb ging. Auch am Bau des Röntgenteleskops Chandra, das
seit 1999 arbeitet, ist er maßgeblich beteiligt.
1973 folgte Giacconi einem Ruf an die Harvard-Universität und wurde 1981 der
erste Direktor des Space Telescope Science Instituts, das die
wissenschaftlichen Programme des Hubble-Weltraumteleskops betreut.
Zwischen 1993 und 1999 war Riccardo Giacconi Generaldirektor der europäischen
Südsternwarte ESO in Garching bei München. Die ESO betreibt eine ganze Reihe
modernster Großteleskope in Chile. In seine Amtszeit fällt der Bau der vier
8,3m-Teleskope des Very Large Telescope auf dem Paranal. Zur Zeit ist er
neben seiner Präsidententätigkeit am AUI noch auswärtiges wissenschaftliches
Mitglied am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und
Forschungsprofessor an der John Hopkins Universität in Baltimore, Maryland.
 "für
seine Pionierarbeit in der
Astrophysik, die zur Entdeckung kosmischer Röntgenquellen führte "
(aus der Begründung des Nobelpreiskomitees)
"Riccardos Leistungen in der Röntgenastronomie gestatten uns einen erstaunlichen
und wunderbaren neuen Blick auf das Universum," erklärt Richard Henry, Professor
für Physik und Astronomie an der Johns Hopkins University. Doch bevor es soweit
war, mussten viele Hindernisse überwunden werden.
Die Röntgenstrahlung wurde 1895 von dem deutschen Physiker Wilhelm Conrad
Röntgen entdeckt, der dafür im Jahr 1901 den allerersten Nobelpreis erhielt.
Schnell setzten sich die "neuen Strahlen" in der medizinischen Diagnostik
und bei Materialuntersuchungen durch, weil sie aufgrund ihrer durchscheinenden
Wirkung den Blick ins Innere eines Körpers gestatten. Dagegen sollte ein halbes
Jahrhundert vergehen, bevor Astronomen Röntgenquellen im All untersuchen
konnten. Für astronomische Beobachtungen vom Erdboden aus, stehen nur drei
"Fenster" zur Verfügung: das optische im Wellenlängenbereich von 4000 - 8000 Angstroem (1 Angstroem = 100 milliardstel Millimeter). Dann einige Bereiche im
infraroten Wellenlängenbereich von 10000 - 20000 Angstroem des
elektromagnetischen Spektrums und das Radiofenster mit Wellenlängen zwischen 1
mm und 15 Meter. Röntgenstrahlen mit ihren Wellenlängen von 0,1 bis 100
Angstroem dagegen werden in der Atmosphäre absorbiert, so dass Röntgenstrahlung
aus dem All nicht die Erdoberfläche erreicht. Das klingt merkwürdig, durchdringt
sie doch mühelos unsere Körper und andere Stoffe. Aber die Atmosphäre ist so
dick, dass die Strahlung nicht bis zum Erdboden durchdringt.
Deshalb müssen Röntgenteleskope ins Weltall gebracht werden. Erste Versuche
wurden im September 1949 von Herbert Friedman von der amerikanischen Marine mit
erbeuteten deutschen V2-Raketen durchgeführt. Sie hatten mehrere Geigerzähler an
Bord, mit denen zum ersten Mal Röntgenstrahlung von der heißen äußeren
Sonnenatmosphäre, der Korona, gemessen wurde. Die Strahlung war sehr schwach, nur
etwa ein Millionstel der von der Sonne ausgestrahlten gesamten Energie. Viele
Astrophysiker hielten deshalb den Bau größerer Röntgenteleskope für nutzlos.
Zusätzlich war ein weiteres Problem zu lösen: Anders als bei optischen
Fernrohren, kann man Röntgenstrahlen nicht mit einer Linse oder einem Spiegel
fokussieren, weil die Strahlung das feste Material fast ungehindert durchdringt.
Fällt Röntgenlicht dagegen streifend auf eine sehr glatte Oberfläche, wird es
dort reflektiert. Durch ein System parabolisch und hyperbolisch gekrümmter
Spiegel lassen sich dann die Röntgenstrahlen in einem Brennpunkt sammeln und so
ein Bild erzeugen.
1959 begann Riccardo Giacconi, damals 28 Jahre alt, diese Grundlagen für den Bau
eines Röntgenteleskops auszuarbeiten. Gleichzeitig führte er mit seiner
Forschergruppe Raketenexperimente durch, um den Nachweis zu erbringen, dass es
im Weltall Röntgenstrahlung gibt. Bei einem Experiment im Juni 1962 wurde
überraschend eine starke Quelle entdeckt, die nicht auf der Sonne lag. Außerdem
wurde eine gleichmäßiger Hintergrund durch Röntgenstrahlung gefunden.
Diese unerwarteten Entdeckungen waren der Anstoß für die Röntgen-Astronomie. Bis
1967 forschten mehr als ein Dutzend Forschergruppen auf diesem neuen Gebiet. Mit
der Zeit wurde die Auflösung und Ortsbestimmung der Röntgenquellen immer mehr
verbessert, so dass man sie mit optischen Beobachtungen vergleichen konnte. Die
erste entdeckte Röntgenquelle entpuppte sich als ein weit entfernter Stern im
Sternbild Skorpion, Scorpius X-1. Weitere wichtige Quellen fand man im Sternbild
Schwan. Die meisten entdeckten kosmischen Röntgenstrahler befinden sich in
Doppelsternsystemen, bei denen ein Objekt ein anderes sehr kompaktes Objekt,
einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch, auf einer engen Bahn umkreist.
Allerdings war es sehr schwierig, mit den bis dahin verwendeten ballistischen
Raketen oder hochfliegenden Ballons diese Objekte genauer zu untersuchen. Zu
kurz waren die Beobachtungszeiten. Deshalb begann Giacconi mit der Konstruktion
eines Satelliten, der den Himmel kontinuierlich nach Röntgenquellen absuchen
sollte. UHURU ("Freiheit" auf Kisuaheli) wurde dann 1970 von einer Raketenbasis
in Kenia in den Weltraum geschossen. In jeder Woche sammelte er mehr Ergebnisse
als alle anderen Experimente zuvor.
Aber UHURU und alle anderen Röntgenteleskope waren nicht in der Lage, scharfe
Bilder zu liefern. Erst das von Giacconi konstruierte und 1978 gestartete
Einstein-Teleskop zeigte ein scharfes Bild des bis dahin unsichtbaren
Röntgenuniversums. Endlich konnten viele Röntgen-Doppelsterne im Detail
analysiert werden. Dabei fanden die Astronomen heraus, dass in den meisten
Systemen ein Neutronenstern existiert. Neutronensterne sind das Endprodukt von
Sternen mit mehr als der zehnfachen Masse der Sonne. Am Ende ihrer Entwicklung
explodieren diese Riesensterne als Supernova, wobei sie den größten Teil ihrer
Masse mit hoher Geschwindigkeit ins All schleudern. Zurück bleibt der schnell
rotierende und stark komprimierte Kern des ursprünglichen Sterns. Der
Neutronenstern im Zentrum des Krebsnebels, dessen Supernovaexplosion am 4. Juli
1054 beobachtet wurde, dreht sich in einer Sekunde 30 mal um sich selbst. Die
Materie in einem Neutronenstern ist so stark zusammengepresst, dass sich die
Elektronen mit den Protonen zu Neutronen verbinden. Ein Stück Neutronenmaterie
in der Größe eines Zuckerwürfels würde eine Milliarde Tonnen wiegen.
Die meisten Neutronensterne haben etwa die Masse der Sonne, die sich in einer
Kugel mit einem Durchmesser von 20 Kilometern befindet. Bei einem
Röntgen-Doppelstern strömt Gas von dem normalen Stern zu dem kompakten Objekt.
In dem starken Schwerefeld des Neutronensterns wird es auf hohe
Geschwindigkeiten beschleunigt. Schließlich wird es beim Auftreffen auf dessen
Oberfläche stark abgebremst und so stark aufgeheizt, dass es im Röntgenbereich
leuchtet. Auch normale Sterne konnten mit dem Einstein-Teleskop erstmals
beobachtet werden. Überreste von Supernova-Explosionen waren zu sehen, sowie
Röntgenstrahlungsausbrüche in den aktiven Kernen entfernter Galaxien. Eine der
überraschendsten Ergebnisse war die Entdeckung, dass die Galaxien in einem
Galaxienhaufen von einem heißen intergalaktischen Gas umgeben sind, das
Röntgenstrahlung aussendet.
Schon 1976 initiierte Giacconi ein noch größeres Röntgenobservatorium, das aber
erst 1999 gestartet wurde: Chandra, das nach dem indischen
Nobelpreisträger und Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekar benannt ist. Damit
erhalten die Forscher außergewöhnlich detaillierte "Röntgenbilder".
Dank der Röntgenastronomie und seinen Pionieren, allen voran Giacconi, hat sich
unser Bild des Universums entscheidend gewandelt. Vor 50 Jahren befand sich das
Universum scheinbar im Gleichgewicht und alle Entwicklungen gingen extrem
langsam und gemächlich vonstatten. Heute wissen wir, dass im Universum auch
extrem schnelle und heftige Ereignisse stattfinden, bei denen enorme
Energiemengen in weniger als einer Sekunden freigesetzt werden. Dabei spielen
auch Objekte eine Rolle, die nicht viel größer als die Erde sind, aber eine
extrem hohe Dichte besitzen. Ein Jahrhundert nach der Entdeckung der
Röntgenstrahlung sind Röntgenteleskope für das Verständnis der Struktur und
Entwicklung der Sterne, Galaxien und des Universums unentbehrlich geworden.
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