ALMA – Blick hinter die Kulissen des Kosmos

Es liefert Einblicke in die kältesten Winkel unseres Universums: das auf fünftausend Metern Höhe gelegene ALMA-Observatorium in der Atacama-Wüste in Chile. ALMA steht für Atacama Large Millimeter/submillimeter Array und liefert Forscherinnen und Forschern einen ganz anderen Blickwinkel auf die Vorgänge im Kosmos. Denn während optische Teleskope die sichtbaren Wellenlängen des Lichtes auffangen, die wir auch mit unseren Augen wahrnehmen, misst ALMA Radiowellen. Wie bei Ultraviolett- oder Röntgenlicht liegen deren Wellenlängen im für das Auge unsichtbaren Bereich. Eigentlich vermögen nur Weltraumteleskope den Millimeter- und Submillimeterbereich zwischen Radiowellen und Infrarotlicht sichtbar zu machen. ALMA schafft dies auch von der Erde aus.

Antennenschüsseln von ALMA

So widmet sich ALMA insbesondere der Frage, wie sich Galaxien und Sterne im noch jungen Universum gebildet haben. Das Licht dieser fernen Objekte ist bereits seit Milliarden Jahren zu uns auf dem Weg. Auch lassen sich mit ALMA Galaxien in einem sehr frühen Entwicklungsstadium nach dem Urknall beobachten. Weil das Licht auf seiner kosmischen Reise wegen der sogenannten Rotverschiebung seine Wellenlängen immer weiter verändert hat, ist es nur noch im Wellenlängenbereich von wenigen Millimetern zu beobachten. Außerdem liefert das Teleskop Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern detaillierte Bilder kalter Molekül- und Staubwolken im Kosmos und von der Entstehung nahegelegener Sterne und Planeten. Auch über die Entwicklung unseres eigenen Sonnensystems wollen Forscherinnen und Forscher durch ALMA neue Erkenntnisse gewinnen: So hofft man etwa, der Antwort auf die Frage ein Stückchen näher zu kommen, ob unsere Erde ein einmaliger Glücksfall im Universum ist – oder ob noch andere bewohnbare Planeten um ferne Sterne existieren.

ALMA ist ein Radioteleskop, das aus 66 tonnenschweren Antennenschüsseln besteht, die alle einzeln bewegt werden können. Gemeinsam formen sie eine Forschungsinfrastruktur, die auf der Welt einzigartig ist. ALMA wurde auf dem Chajnantor-Plateau in Chile, fernab menschlicher Siedlungen errichtet. Dies hat primär zwei Gründe: Die Lichtverschmutzung ist hier im Vergleich zu vielen anderen Orten auf der Welt sehr gering. Außerdem ist die Atmosphäre hier recht dünn und die sehr trockene Luft in der Gegend enthält nur sehr wenig Wasserdampf. All dies sind Faktoren, die ALMA einen besonders ungetrübten Blick in den Kosmos erlauben. Während des Baus von ALMA war jedoch nicht nur die abgelegene Position, sondern vor allem der Aufbau eine große Herausforderung. Die 66 immensen Antennenschüsseln können – je nach Beobachtungsziel – ganz kompakt innerhalb von nur 150 Metern oder ganz weit verteilt mit Abständen von bis zu 16 Kilometern aufgestellt werden. Dadurch wirkt das gesamte Antennenfeld wie ein gigantisches Zoom-Objektiv. Die Spiegel lassen sich zudem extrem genau steuern: Würde man einen entsprechend langen Zeigestock daran montieren, könnte man damit in 15 Kilometern Entfernung einen Golfball treffen.

ALMAs Antennentransporter

Um aus den Messdaten der 66 Antennen ein zweidimensionales Bild zu berechnen, benötigt man jedoch eine immense Rechenleistung. Ein sogenannter Korrelator, ein sehr leistungsfähiger Computer, kombiniert die gesammelten Daten der einzelnen Radioschüsseln so miteinander, dass sie wie ein einziges großes Teleskop wirken. Damit dies gelingt, verfügt der Korrelator über 134 Millionen Prozessoren, die 17 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde durchführen können. Mit diesem Trick können die zusammengeschalteten Schüsseln von ALMA das gleiche Ergebnis erzielen, für das ein einzelnes Radioteleskop einen Durchmesser von 16 Kilometern benötigen würde.

Doch wie bewegt man in einer so abgelegenen Gegend über hundert Tonnen schwere Antennenschüsseln? Die Antworten heißen „Otto“ und „Lore“ . Dabei handelt es sich um zwei eigens entwickelte Fahrzeuge, die von der deutschen Firma Scheuerle gebaut wurden. Die beiden Transporter bringen selbst jeweils 130 Tonnen auf die Waage, sind zwanzig Meter lang, zehn Meter breit und sechs Meter hoch. Sie sind in der Lage, ALMAs Antennenschüsseln im Routinebetrieb zwischen ihren einzelnen Positionen hin und her zu bewegen. Von Zeit zu Zeit bringen „Otto“ oder „Lore“ die Schüsseln auch über Schotterpisten ins 28 Kilometer entfernte Wartungszentrum. Beladen schaffen sie dabei eine Spitzengeschwindigkeit von immerhin zwölf Kilometern pro Stunde.

In über 5000 Meter Höhe

ALMA ist ein Gemeinschaftsprojekt Europas, der USA, Kanadas, Japans, Taiwans, Südkoreas und des Gastgeberlandes Chile. Europas Anteil von 37,5 Prozent der Bau- und Betriebskosten wird durch die Europäische Südsternwarte (ESO) aufgebracht, die zuletzt mit 22 Prozent aus Bundesmitteln finanziert wurde. ALMAs gesamte Baukosten betrugen rund 1,2 Milliarden Euro (deutscher Anteil: 120 Millionen Euro). Damit ist ALMA das bisher kostenintensivste astronomische Observatorium auf der Erde. Es ist erheblich leistungsfähiger als bisherige Einzelantennen-Submillimeterteleskope oder andere Submillimeter-Anordnungen wie etwa das Submillimeter-Array (SMA) auf Hawaii mit seinen acht Antennen oder das Antennenfeld des Instituts für Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM) in den französischen Alpen, das bis zum Jahr 2019 auf zwölf Antennen ausgebaut werden soll.

ALMAs Antennen wurden zwischen 2009 und 2013 geliefert. Einmalig war dabei, dass drei verschiedene Antennentypen von den Partnerregionen Europa, Nordamerika und Asien unabhängig voneinander entwickelt und gebaut wurden. Alle drei Typen erreichten dabei die strengen technischen Leistungsvorgaben des ALMA-Konsortiums.

Bereits seit Sommer 2011 liefert ALMA Daten, die neue wissenschaftliche Erkenntnisse ermöglichen. Auf Basis dieser Daten sind über tausend wissenschaftliche Veröffentlichungen entstanden, die maßgeblich dazu beigetragen haben, unser Verständnis des Kosmos zu erweitern. So hat ALMA Forscherinnen und Forschern in den vergangenen Jahren völlig neue Einblicke in weit entfernte Bereiche des Kosmos geliefert, deren Licht mit optischen Teleskopen früher nicht sichtbar war.

ALMA und die Milchstraße

In Zukunft soll ALMA vor allem dafür eingesetzt werden, die kosmische Evolution wichtiger Objekte in unserem Universum nachzuverfolgen – von den ersten Galaxien bis hin zum Höhepunkt der Sternentstehung. Dabei wollen Forscherinnen und Forscher vor allem mehr darüber erfahren, welche Rolle die Entstehung von Planeten und Sternen während der Evolution von einfachen hin zu komplexen organischen Molekülen spielt. Zusätzlich soll ALMA auch unsere kosmische Nachbarschaft untersuchen, um herauszufinden, wie aus protoplanetaren Scheiben eines jungen Sonnensystems Planeten entstehen.

ALMA spielt eine zentrale Rolle beim Event-Horizon-Telecope, einem globus-umspannenden Netzwerk von Radioteleskopen. Durch Zusammenschaltung der einzelnen Teleskope gelang 2019 die Veröffentlichung der ersten direkten Bilder eines schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 und 2022 im Zentrum unserer Milchstraße.