ASTRONOMIE

Herausforderung Sternenhimmel

Wie kann Europa seine herausragende Stellung in der Astronomie verteidigen? Mit dieser Frage – und den sich daraus ergebenden Strategien – beschäftigt sich die europäische Planungsgruppe Astronet in ihrem kürzlich erschienenen Bericht „A Science Vision for European Astronomy“.

Die kleinen Teleskope des ESO Observatoriums in La Silla (Chile) unter der Milchstraße © ESO Die kleinen Teleskope des ESO Observatoriums in La Silla (Chile) unter der Milchstraße © ESO

Europa nimmt heute im weltweiten Vergleich eine Vorrangstellung in der Astronomie ein. Dieser Erfolg baut auf der gemeinsamen Nutzung der in der Europäischen Union vorhandenen Ressourcen auf, unter anderem durch die Schaffung der Europäischen Organisation für astronomische Forschung in der Südlichen Hemisphäre (ESO) für die bodengestützte Astronomie und durch die Europäische Weltraumorganisation (ESA) für die Weltraum - astronomie. Die von der Kommission unter stützte Astronet-Gruppe möchte die europäischen  Forschungsressourcen bündeln, um eine gemeinsame Arbeit an der Gesamtheit der Forschungsaufgaben im Bereich Astronomie zu ermöglichen. Diese reichen von den in der Astrophysik untersuchten Phänomenen – im Sonnensystem und im gesamten Universum – bis hin zu bereits bestehenden oder erst noch einzurichtenden Verfahren der boden- und weltraumgestützten optischen Astronomie, wobei aus einer immensen Anzahl möglicher Untersuchungs gegenstände (von Licht bis hin zu Gravitation swellen) zu wählen ist.

In Anbetracht der für solche Projekte erforderlichen technischen und wirtschaftlichen Mittel ist der Wunsch, die Grenzen unseres Wissens in der Astronomie immer weiter zu stecken, nicht mehr von einzelnen Teams zu verwirklichen. Es ist eine internationale Mobilisierung der Wissenschaftler erforderlich, wie sie beispielsweise mit dem CERN für die Teilchenphysik bereits existiert. „Alle sind sich einig darüber, dass künftig große Investitionen in der Astronomie nur im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen den Ländern der Europäischen Union getätigt werden. Wie sich diese Tendenz weiterentwickelt, hängt von den künftigen politischen und wirtschaftlichen Ereignissen ab“, unterstreicht Johannes Andersen, Präsident des Astronet-Rats und Direktor des Nordic Optical Telescope auf der Kanarischen Insel La Palma (ES).

Die Früchte der reinen Wissenschaft

Das Argument, die Astronomie könne als besonders kostspielige und wenig „rentable“ Wissenschaft erscheinen, hält Johannes Andersen für eine zu stark vereinfachte Sicht der Dinge. „So kostspielig ist unsere Forschungsarbeit auch wieder nicht, wenn man sie mit anderen Wissen - schaften vergleicht, wie beispielsweise der Hochenergiephysik. Zudem liefert die Astronomie auch Ergebnisse für die praktische Anwendung, wie z. B. die Vorhersage von Sonnenausbrüchen, und sie vergibt Herstel - lungs aufträge für Ausrüstung an Hightech- Unternehmen. Und indem sie uns z. B. die Erkenntnis ermöglicht, dass nur 5% des Universums aus „normaler“ Materie bestehen, tragen ihre Arbeiten wesentlich zur physikalischen Grundlagenforschung bei. Außerdem gehört die Astronomie seit jeher zu den Wissenschaften, die die Menschen am meisten fasziniert haben…“

Fragen für 20 Jahre

Astronet hat soeben „die wichtigsten Fragestellungen in der Astronomie identifiziert, die innerhalb der kommenden 20 Jahre durch die Kombination von Beobachtungen, Simulationen, Versuchen, Interpretationen und Theorien gelöst werden können“. Dazu gehören die Extreme des Universums, wie die Beobachtung von Schwarzen Löchern, diesen alles verschluckenden Weltraummonstern, deren Schwerkraft so hoch ist, dass ihnen nicht einmal Licht entrinnen kann, oder auf der anderen Seite die Beobachtung von Gammastrahlenausbrüchen, den hellsten Ereignissen des Universums. Ebenfalls auf dem Programm: die Natur der dunklen Energie oder der schwarzen Materie. Diese beiden Komponenten stellen über 95 % des Inhalts des Universums dar, ohne dass jemand wüsste, worum es sich dabei wirklich handelt…

Eine weitere Aufgabe ist die Erforschung der Entstehung von Galaxien. Wie sind die ersten Zusammenballungen von Materie entstanden, die als „Keimzellen“ der Galaxien fungierten? Wie haben sich Galaxien entwickelt, um schließlich unter anderem unsere Milchstraße zu bilden? Wie sind Sterne und Planeten entstanden? Im Zentrum der Sterne wurden und werden schwere Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen usw. gebildet, die die Grundlage für Planeten wie die Erde darstellen. Innerhalb von nur zehn Jahren wurden 253 Exoplaneten entdeckt. Trotzdem erscheint die Entdeckung eines Planeten systems, das alle Bedingungen für die Entwicklung von Leben vereint, immer noch sehr ungewiss. Das Verständnis der Mechanismen zur Bildung dieser Objekte heißt auch, den Weg zur Entwicklung des Lebens verstehen.

Und natürlich müssen wir unsere Kenntnisse über unser eigenes Sonnensystem vertiefen. Die Erforschung unserer direkten Umgebung ist wesentlich für das Verständnis der Entstehung und Entwicklung unserer Erde.

Die vorherrschende Rolle der Informatik

Die Mobilisierung der europäischen Astronomie, die den europäischen und nationalen Entscheidungsträgern vorgeschlagen wird, erfordert Mittel, die dem Umfang der Aufgabe gerecht werden. Der Astronet-Bericht weist darauf hin, dass „dem überwiegenden Teil der Themen offensichtlich mehrere Bedürfnisse zugrunde liegen […] und die Investitionen in diesen Bereichen somit vorrangig für die Astronomie getätigt werden“.

Eine der herausragenden Anforderungen ist eine Informatik-Infrastruktur, die eine Antwort auf solche Fragen liefern kann. Die von den Astronomen entwickelten Theorien werden immer komplexer und stützen sich auf eine steigende Anzahl physikalischer Phänomene und deren Wechselwirkungen. Um diese Theorien überprüfen und Vorhersagen erstellen zu können, sind außerordentlich umfangreiche digitale Simulationen erforderlich. Das Simu - lationsprojekt Marenostrum zur Erforschung der Bildung von Galaxien, an dem spanische, französische, deutsche, amerikanische und israelische Forscher beteiligt sind, ist ein schönes Beispiel für diese Art der Forschung. Die von 800 Prozessoren gleichzeitig geleistete Rechenarbeit würde einen einzigen Rechner 126 Jahre beschäftigen.

Diese Simulationen generieren unglaublich große Datenmengen im bis zu zigfachen Terabyte-Bereich (1012). Diese Daten müssen dann mit den Beobachtungen abgeglichen werden. Wiederum sind enorme Rechen - kapazitäten erforderlich, denn die Vielzahl der Beobachtungen bei allen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums führt zu einem erneuten Zuwachs an Daten. Man könnte nun meinen, Speichern allein wäre ausreichend. Aber was soll man mit einer gigantischen Bibliothek ohne Klassifizierungs - system anfangen? Wie soll man sich in einem solchen Labyrinth zurechtfinden? Für die Daten aus den vielen unterschiedlichen Quellen und Formaten sind also enorme Speicher-, Analyse- und Vergleichskapazitäten erforderlich.

Die Neuerfindung der Chemie

Ein erster Schritt in diese Richtung erfolgte mit der Einrichtung des virtuellen Observatoriums in Europa. Seine Aufgabe ist es, den elektronischen – also virtuellen – Zugang zu allen verfügbaren Observationsdaten zu ermöglichen und den Wissenschaftlern optimale Werkzeuge für ihre Analysen zur Verfügung zu stellen.

Schließlich zeigt Astronet die Notwendigkeit einer leistungsfähigen Laborastrophysik. Durch die steigende Empfindlichkeit der Instrumente werden immer mehr chemische Bestandteile in festem oder gasförmigem Zustand entdeckt – unter anderem auch im interstellaren Raum. Von ihrer synthetischen Herstellung im Labor und ihrer detaillierten Erforschung erwartet man sich beispielsweise das Verständnis der Mechanismen, die zur Bildung bestimmter Aminosäuren, den Bausteinen des Lebens, geführt haben, die im All anzutreffen sind.

Wie geht es weiter? „Wir werden die Werk - zeuge beschreiben, die für die Durchführung der Projekte aus dem Bericht Science Vision erforderlich sind, und uns überlegen, wie sie innerhalb eines vernünftigen Zeitraums entwickelt werden können“, erklärt Johannes Andersen. „In Zusammenarbeit mit den Förderagenturen (zur Gewährleistung der finanziellen Machbarkeit) wird die wissenschaftliche Gemeinschaft die finanziellen Aspekte sowie die erforderlichen Personal- Ressourcen planen. Wir erstellen zudem eine Gesamtübersicht über die Programme und Verfahren zur Mittelzuteilung durch die verschiedenen europäischen Länder, mit dem Ziel, eine bessere Koordination und Kooperation zwischen ihren Observatorien zu ermöglichen.“

Stéphane Fay


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