Sonnenteleskop

Monika Rüger, München

Der Sonne auf der Spur

Mit Hilfe eines neuartigen Sonnenteleskops haben Astronomen bislang unbekannte Eigenschaften der Sonnenoberfläche entdeckt.

Die Sonne nimmt als unser Zentralgestirn eine Sonderstellung in der Astronomie ein. Kein anderer Stern ist uns so nah wie sie. Kein anderer Himmelskörper erscheint uns so hell und so heiß. Deshalb werden für die Erforschung der Sonne spezielle Sonnenteleskope konstruiert, die sich von anderen Teleskopen grundlegend unterscheiden. Das derzeit leistungsfähigste ist das 1-Meter-Sonnenteleskop (Swedish 1-m Solar Telescope, SST) auf der Kanareninsel La Palma, das seit 2002 vom Institut für Sonnenphysik der königlich schwedischen Akademie der Wissenschaften betrieben wird. Mit ihm gelang es erstmals, auf der Sonnenoberfläche Strukturen von nur 75 Kilometern Größe zu erkennen.

Sonnenflecken mit faszinierenden Details

Sonnenflecken markieren dunklere und kühlere Zonen auf der Sonnenoberfläche. Sie treten vor allem in Zeiten hoher Sonnenaktivität auf und erreichen dabei den Durchmesser von Planeten. Das Zentrum eines Sonnenflecks, die so genannte Umbra ist von einem helleren Saum, der Penumbra umgeben. Die Penumbra besteht aus langen Filamenten, die sich wie Haare um das Zentrum legen. Mit Hilfe des schwedischen Sonnenteleskops wurde nun zum ersten Mal entdeckt, dass zahlreiche dieser Filamente innen einen dunklen Kern haben. Laut Professor Göran Scharmer, Leiter des Instituts für Sonnenphysik, sind die Kerne zwischen 150 und 180 Kilometer breit und gehen möglicherweise auf magnetische Flussröhren zurück, die heißes Plasma transportieren. Ihre genaue Bedeutung ist den Wissenschaftlern allerdings noch unklar.

Berge mit mehreren Hundert Kilometern Höhe

Immer noch voller Geheimnisse: Die Sonne als Objekt jahrtausendelanger Beobachtung und Forschung.
Mit dem neuen Teleskop soll unter anderem die Bedeutung der dunklen Kerne der Sonnenflecken geklärt werden.
Ebenfalls spektakuläre Fotos wurden von Gebieten am „Sonnenrand“ unter einem schrägen Winkel aufgenommen. Aufgrund des flacheren Sichtwinkels auf die Sonnenoberfläche können dort Objekte aus einer anderen Perspektive betrachtet werden. Die Aufnahmen zeigen erstmals die dreidimensionale Struktur der Sonnenoberfläche: Berge und Täler aus heißem Plasma mit bis zu 450 Kilometern Höhenunterschied. Die Sonnenflecken erscheinen als dunkle, von Bergen umrahmte Vertiefungen – früher sah man sie immer nur als dunklere Zonen, von denen man nicht wusste, ob sie flach, tief oder hoch sind. Außerdem sind zahlreiche helle „Sonnenfackeln“ zu sehen, die über die Sonnenoberfläche hinausragen. Diese Sonnenfackeln sind heißer als ihre Umgebung und strahlen deshalb besonders viel Energie ab.

Besonderheiten des Teleskopaufbaus

Für das primäre optische System des Sonnenteleskops fertigte SCHOTT zwei ebene Umlenkspiegel aus „ZERODUR®“ Glaskeramik mit einem Durchmesser von 1,4 Meter.
Die vielen neuen Erkenntnisse überraschen um so mehr, wenn man bedenkt, dass das schwedische Sonnenteleskop gar nicht das größte ist. Es hat jedoch ein sehr ausgeklügeltes Design mit einer adaptiven Optik und liefert deshalb schärfere und detailreichere Bilder als alle bisherigen Sonnenteleskope.

Mit der adaptiven Optik wird das von den Dichteunterschieden der Erdatmosphäre verursachte Flimmern des Bildes durch gezieltes „Verbiegen“ eines Spiegels korrigiert. Dieses Prinzip ist bei großen, modernen „Nachtteleskopen“ schon weit verbreitet, nicht jedoch bei Sonnenteleskopen. Der Grund dafür ist, dass man bei einem Sonnenteleskop keine anderen Sterne als Referenzpunkte nutzen kann – man muss sich vielmehr mit feinen Strukturen auf der Sonnenoberfläche behelfen, was einen viel größeren Rechenaufwand bedeutet. Das schwedische Sonnenteleskop ist nun das erste, das von vornherein mit einer adaptiven Optik konzipiert wurde: Sein deformierbarer Spiegel korrigiert das Bild 1.000 Mal in der Sekunde.

Ein weiterer, grundlegender Unterschied zwischen „Nachtteleskopen“ und Sonnenteleskopen besteht darin, dass letztere nicht nur unter dem Einfluss der Erdatmosphäre, sondern auch unter der Sonnenhitze leiden: Sowohl die Optik als auch die Luft innerhalb des Teleskops heizen sich stark auf. Für die Optik löst man dieses Problem mit Hilfe von Materialien, die eine sehr geringe Wärmeausdehnung haben, beispielsweise werden Linsen aus Quarzglas und Spiegel aus „ZERODUR®“ gefertigt. Die aufgeheizte Luft, die das Bild so verschwimmen lässt, wie man es manchmal auch über heißem Asphalt beobachten kann, wird durch Evakuieren des Teleskops vermieden – man spricht dann auch von einem Vakuumteleskop. Beim schwedischen Sonnenteleskop SST ist das Ganze besonders pfiffig gelöst: Anstelle des sonst üblichen, flachen Vakuumfensters übernimmt eine 1-Meter-Linse aus Quarzglas diese Funktion gleich mit – und spart so eine optische Komponente ein. Zusammen mit zwei ebenen 1,4-Meter-Umlenkspiegeln aus „ZERODUR®“ Glaskeramik bildet die 1-Meter-Linse das primäre optische System. Es ist als Ganzes beweglich, um die Sonne auf ihrer Bahn am Himmel zu verfolgen. Wie eine Art Arm ragt es über dem 17 Meter hohen Turm hinaus, in dem sich die anderen optischen Komponenten sowie die Detektoren befinden.

Zukünftige Projekte

Momentan ist das schwedische Sonnenteleskop das größte Europas und nach dem McMath-Pierce-Teleskop in Arizona das zweitgrößte der Welt. Es sind jedoch schon drei neue Projekte in Planung, beziehungsweise im Bau: Auf Teneriffa soll bereits im Jahr 2004 das 1,5-Meter-Sonnenteleskop GREGOR des Kiepenheuer-Instituts für Sonnenphysik (KIS) in Freiburg in Betrieb gehen. Für das Big Bear Solar Observatory (BBSO) in Kalifornien soll bis zum Jahre 2006 ein Sonnenteleskop mit einem 1,7-Meter-Spiegel aus „ZERODUR®“ gebaut werden; der Spiegelträgerrohling dafür wurde bereits von SCHOTT ausgeliefert. Und über ein 4-Meter-Teleskop (ATST = Advanced Technology Solar Telescope), das den Grundstein für die nächste Generation von Sonnenteleskopen legen soll, wird gerade nachgedacht. Sie alle können aufgrund ihrer Größe nicht mehr als Vakuumteleskope ausgelegt werden, ihre Konzepte sehen offene Spiegel-Systeme mit Spezialkühlung vor.