Wie schafft man es, den Himmel hochpräzise zu kartieren? Anstatt der sichtbaren Sterne verwendet man dafür heute weit entfernte Radioquellen. Sie werden von verschiedenen Observatorien an unterschiedlichen Punkten der Erde gleichzeitig vermessen, aus diesen Daten lässt sich dann ihre Position am Himmel sehr exakt berechnen. Das Geodäsie-Team der TU Wien ist an diesen Messungen beteiligt, diesen Winter konnte eine erfolgreiche Messkampagne in Australien durchgeführt werden.

Die Sterne sind nicht gut genug
Tausende Jahre lang orientierte man sich bei der Beobachtung des Himmels an den Sternen, doch das hat gravierende Nachteile: Unser Sonnensystem und die umgebenden Sterne bewegen sich relativ zueinander, im Lauf der Jahrhunderte kommt es zu signifikanten Verschiebungen. Die Sternbilder sehen heute anders aus als in der Antike, für Hochpräzisionsangaben sind die Sterne also ungeeignet.

Viel genauere Messungen kann man machen, wenn man helle Objekte betrachtet, die sich weit außerhalb unserer eigenen Galaxie befinden. Zu ihnen gehören etwa die Quasare – exotische Himmelskörper im Zentrum von Galaxien, in deren Mitte sich ein superschweres Schwarzes Loch befindet. Das Schwarze Loch zieht aus seiner Umgebung Masse an sich, durch Reibung heizt sich die Materie auf dem Weg in das Schwarze Loch auf und strahlt Energie ab. So kann eine Leuchtkraft entstehen, die das Licht ganzer Galaxien überstrahlt. Viele von ihnen sind Milliarden von Lichtjahren entfernt – und trotzdem können wir sie auf der Erde sehen.

Auf solche weit entfernte Quellen werden die Radioteleskope auf der Erde ausgerichtet – und zwar immer gleich mehr als eines.  „Nur wenn man die Daten aus weit voneinander entfernten Teleskopen miteinander verknüpft, kann man eine extrem hohe Präzision erreichen“, erklärt Prof. Johannes Böhm vom Department für Geodäsie und Geoinformation der TU Wien. Im Grunde entsteht durch das Zusammenschalten von Teleskopen auf unterschiedlichen Kontinenten ein gewaltiges Riesenteleskop mit einer langen Basislinie – im Extremfall so lang wie der Erddurchmesser. Man spricht daher von „Very Long Baseline Interferometry“ (VLBI).

Besonders in den Bereichen des Himmels, der nur von der Südhalbkugel aus gesehen werden kann, benötigt man noch mehr Referenzpunkte als heute zur Verfügung stehen. Johannes Böhm wurde daher an die University of Tasmania (Hobart, Australien) eingeladen, um geeignete Beobachtungspläne zu entwickeln.

Eine Kirsche am Mond
Die Strahlung der Radioquellen ist nicht völlig konstant, man empfängt ein Rauschen. Zwei weit voneinander entfernte Teleskope empfangen dasselbe Rausch-Signal, allerdings tritt eine minimale zeitliche Verzögerung auf, wenn die Strahlung zuerst das eine, und danach erst das andere Teleskop erreicht.

Kennt man die Entfernung zwischen den beiden Teleskopen, kann man aus dieser zeitlichen Verzögerung berechnen, aus welcher Richtung das Radiosignal gekommen ist. Die Ankunftszeit der Signale wird dafür mit einer Atomuhr gemessen. „Man erreicht dadurch eine Präzision im Bereich von Mikro-Bogensekunden“, erklärt Johannes Böhm. Das entspricht etwa dem Winkel, unter dem uns ein einzelner Atomkern im Daumennagel eines ausgestreckten Arms erscheint, oder unter dem man von der Erde aus eine Kirsche auf der Mondoberfläche sehen würde.

Umgekehrt kann man die Signale auch zur Positionsbestimmung auf der Erde nutzen: Ist die Radioquelle bereits genau bekannt, kann man aus der Lichtlaufzeitdifferenz zwischen den Signalen die Erdrotation oder den Abstand der Teleskope berechnen. So lässt sich sogar vermessen, wie sich die Kontinente über die Jahre aufgrund der Plattentektonik gegeneinander verschieben.

Spezialsoftware, entwickelt an der TU Wien
Um das zu erreichen, müssen aber zunächst einige mathematische Probleme gelöst werden: „Wie registriert man von unterschiedlichen Teleskopen aus in kurzer Zeit möglichst viele Radioquellen? Das ist gar nicht so einfach zu beantworten“, sagt Johannes Böhm. Die Teleskope lassen sich unterschiedlich schnell bewegen, schwächere Radiosignale brauchen längere Messphasen als starke – es gibt viele Parameter, die man berücksichtigen muss, um zu einer guten Radiowellen-Himmelskarte zu kommen.

Johannes Böhm entwickelte mit seinem Team eine eigene Software, die optimale Beobachtungspläne erstellt. Auch die gemessenen Signale müssen dann noch verarbeitet werden: Zunächst vergleicht man die Signale unterschiedlicher Stationen und ermittelt die Zeitdifferenz, die dann wieder ins Programm einfließt und für geometrische Berechnungen verwendet wird.

Natürlich sind exakte Himmelskarten auch für die Raumfahrt unverzichtbar: Speziell im Bereich der Ekliptik, wo Raumsonden zu anderen Planeten unterwegs sind, braucht man ein dichtes Netz an Radioquellen als Referenzsystem.Aber auch für globale Satellitennavigationssysteme wie das GPS dienen diese Himmelskarten als übergeordnete Referenz.

Am 19. Dezember 2013 wurde der Satellit Gaia der ESA gestartet, der Milliarden von Sternen kartieren soll – allerdings handelt es sich hier um Daten im sichtbaren Bereich des Spektrums und um Sterne unserer eigenen Galaxie und der lokalen Gruppe. Für geodätische Anwendungen wird daher weiterhin das Radiowellen-Referenzsystem maßgeblich bleiben.

Bisher stützt man sich auf den ICRF-2 (International Celestial Reference Frame 2), der die Positionen von 3414 extragalaktischen Radioquellen beinhaltet. Bis 2017 werden noch neue Radioquellen gesucht, daraus soll dann ein neuer offizieller Katalog von Radioquellen (der ICRF-3) entstehen, der dann in der Astronomie als Standard-Referenz dienen wird.


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Rückfragehinweis:
Prof. Johannes Böhm
Department für Geodäsie und Geoinfiormation
Technische Universität Wien
Gusshausstraße 25, 1040 Wien
T: +43-1-58801-12864
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Aussender:
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Büro für Öffentlichkeitsarbeit
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