Auf den Spuren des Urknalls

Die höchstgelegene Baustelle der Welt ist für Mensch und Maschine gleichermaßen eine Herausforderung: Im Schritttempo ächzen selbst PS-starke Speziallaster mit den tonnenschweren Einzelteilen des Teleskops dem Gipfel des Berges Cerro Chajnantor in Chile entgegen. Manche Laster müssen von noch stärkeren Baggern gezogen werden, damit sie den staubig-steinigen Serpentinenweg nach oben überhaupt schaffen.

Mitten in der trockensten Wüste der Welt, der chilenischen Atacamawüste, entsteht ein Tor zur Vergangenheit des Universums: Im Januar 2025 startete das Teleskop – noch in seine Einzelteile zerlegt – seine Reise nach Chile: vom Hafen in Wesel wurden die Komponenten nach Antwerpen transportiert, wo sie auf ein Schwergutschiff verladen wurden. Nach sechs Wochen Seereise zum chilenischen Hafen Antofagasta ging es 450 Kilometer per LKW in die Atacamawüste und schließlich auf den Gipfel. Dort begann die schwierige Montagearbeit. Die Inbetriebnahme des Teleskops, das sogenannte »first light«, ist für den Sommer 2026 geplant.

Konzipiert, entwickelt und gebaut wird das Teleskop-Projekt von der CCAT Observatory Inc., einem internationalen Konsortium, dem neben der Universität zu Köln die Cornell University in den USA, die Universität Bonn, das Max-Planck- Institut für Astrophysik sowie ein kanadisches Universitätsnetzwerk angehören. Finanziert wird es durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und private Förderer wie Fred Young, Alumnus der Cornell University. 

Das älteste Licht des Universums sehen

Für den Astrophysiker Dr. Ronan Higgins vom I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln ist das ein großartiger Moment, auf den der ursprünglich aus Irland stammende Wissenschaftler lange gewartet hat: »Ich freue mich ganz besonders zu sehen, dass die Hightech- Komponenten des Teleskops die weite Reise von Deutschland nach Chile heil überstanden haben und jetzt zusammengebaut werden können.« Als stellvertretender Projektingenieur ist Higgins so vertraut mit dem neuen Hochleistungsteleskop wie kaum ein anderer. In der trockenen, dünnen und damit transparenten Atmosphäre versprechen er und die vielen anderen am Projekt beteiligten Wissenschaftler*innen sich Antworten auf die großen Fragen der Menschheit.

Das Herzstück des Teleskops sind zwei sechs Meter große Spiegel aus Aluminium und Kohlefaser. Die Spiegeloberfläche muss möglichst plan sein, damit das Teleskop weit und exakt ins All blicken kann. »Wir sprechen hier von einer Toleranz von zehn Mikron über jeden der beiden Spiegel – ein menschliches Haar hat ein Durchmesser von etwa achtzig Mikron«, erklärt Ronan Higgins. Als »Augen« des Teleskops fungieren die beiden Weitwinkelkameras CHAI und PrimeCam. Sie empfangen Strahlung im sogenannten Submillimeterbereich – Licht, das seit Milliarden Jahren unterwegs ist.

Was genau macht die Radioastronomie im Submillimeterbereich aus? In der Astronomie und Physik bezieht sich der Begriff auf Submillimeterwellen (auch als Terahertzwellen bekannt) mit Wellenlängen zwischen etwa einigen Hundert Mikrometern und einem Millimeter, die im Bereich zwischen Mikrowellen und Infrarot liegen. Viele Objekte und Vorgänge im Universum, die von großem Interesse sind, zum Beispiel die Sternentstehung, emittieren lediglich Strahlung im Submillimeterbereich. Die Astronom*innen können auf diese Weise sowohl extrem kalte Objekte – wie beispielsweise die dichten Wolken von interstellarem Gas und Staub, in denen sich neue Sterne bilden – als auch sehr weit entfernte Objekte im frühen Universum erforschen. Im letzteren Fall hat die Ausweitung des Universums das Licht von diesen entfernten Objekten »ausgedehnt«. Daher sind die Wellen im Submillimeterbereich sichtbar.

Die Wellen können auch Staubwolken durchdringen, die für sichtbares Licht undurchdringlich sind. Das ermöglicht die Beobachtung von Bereichen der Sternentstehung und die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von interstellarem Gas. Somit bilden die Radiowellen eines der wenigen Fenster, durch das Wissenschaftler*innen das gesamte Universum vom Boden aus erforschen können.

Bis an die Grenzen der Physik

Noch wasserdampfärmer als auf dem Gipfel des Cerro Chajnantor wäre es natürlich im Weltall. Doch der Standort in Chile ist für die technischen Erfordernisse des FYST optimal, denn es ist zu groß, als dass es mit einer Rakete transportieren werden könnte. Sein Montageort bietet somit Beobachtungsbedingungen, die denen im Weltraum so nahe wie möglich kommen. 

Die Submillimeter-Strahlung stammt zum Beispiel aus Staub- und Molekülwolken, die weit entfernte Schwarze Löcher und sternenreiche Galaxien umgeben. »Das geht«, sagt Astrophysiker Higgins, »an die Grenzen der Physik.« Dafür wird das neue Teleskop bei der Geschwindigkeit seiner Bildgebung und seiner Empfindlichkeit das leistungsstärkste Teleskop der Welt sein. Es wird die Entstehung von Sternen und Galaxien von der frühen »kosmischen Dämmerung« kurz nach dem Urknall bis zum »kosmischen Mittag «, als die meisten der heutigen Sterne entstanden sind, detailliert darstellen und Einblicke in die kosmische Ausdehnung und Gravitationswellen seit dem Urknall geben.

Der Aufwand lohnt, da sind sich nicht nur die Wissenschaftler*innen, sondern auch Geldgeber Fred Young sicher: »Unser Submillimeterteleskop der Spitzenklasse am wahrscheinlich besten Standort der Welt für diese Wellenlänge wird für viele Astronominnen und Astronomen die Grundlage für bedeutende Forschungsarbeiten in den kommenden Jahren bilden.« Neben den wissenschaftlichen Erkenntnissen, die die Welt und das All ein wenig verständlicher machen, entstehen womöglich Technologien, die weit über die Astronomie hinauswirken. »WLAN, GPS oder Digitalkameras sind schließlich alles Nebenprodukte astronomischer Forschung «, erinnert Higgins.

Auch Studierende der Uni Köln profitieren von der Entwicklung und dem Bau des Hightech-Teleskops: Sie bauen Empfänger für die Submillimeter-Strahlung und helfen, den komplexen Spiegel exakt auszurichten. »Es ist diese Art von Erfahrung, die die nächste Generation von Forschenden formt«, so Higgins. Bei vergleichbaren Weltklasse-Teleskopen erhalten die Studierenden in der Regel nur verarbeitete Daten, mit denen sie arbeiten können. Beim FYST hingegen sind sie in den gesamten Prozess eingebunden, einschließlich der Bedienung des Teleskops, der Erfassung und Verarbeitung von Daten und der wissenschaftlichen Auswertung.

Mitte nächsten Jahres ist es so weit: Nach rund sieben Jahren Bauzeit schaut das Teleskop zum ersten Mal tief ins Weltall – pünktlich zum Beginn des neuen Exzellenzclusters der Uni Köln namens DYNAVERSE, für dessen Erfolg die neuen Daten essentiell sein werden. Es werden dann die empfindlichsten Augen der Erde sein – bereit, das älteste Licht des Universums einzufangen. 

DYNAVERSE – Der neue Exzellenzcluster zwischen den Universitäten Köln und Bonn, dem Forschungszentrum Jülich, dem Max- Planck-Institut für Radioastronomie, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und dem Heidelberger Institut für Theoretische Studien wird als weltweit führendes Kompetenzzentrum für Radioastronomie, Laborexperimente, Simulationen und maschinelles Lernen/ künstliche Intelligenz aufgebaut. Sprecherin ist Professorin Dr. Stefanie Walch-Gassner an der Universität zu Köln.