John Mather (2012) - Seeing Farther with New Telescopes

I wanted to tell you something about, not the work that I did to gain the Nobel Prize but what's happening now and coming. I wanted to say that growing up as a child I thought the most exciting thing I could do as a scientist was to build equipment that would measure things. So rather than trying to observe them, which was difficult, let me build something. So, that's what I've been doing for my entire life is figuring out how to build stuff to measure things. So I want to show you what is currently ongoing for us in astronomy and not just my particular work but other people's work. Just to give you some sense of what's coming. So I have a crystal ball for you. If you visit this particular website it till tell you everything. But I'm not going to go visit because I don't have a good question. So, we have an amazing tool now that we didn't have 30 years ago which is we have a super computer. We can take a computer and imagine that what Brian just said is correct. That the universe is full of cold dark matter and dark energy causing the acceleration. And ordinary matter. And we can predict from super computer simulations with 10 billion particles in a box, what the gravitational forces will do. And here is the simulation, the formation of a galaxy. This is a small sample of 10 billion particles. And you can see this happening before your very eyes in the computer. So this is one of the most powerful tools that we now have. But we have to admit that we don't know if it's true. So we are going to have to go measure something to find out if that beautiful picture that I just showed you has any resemblance to reality. So far it seems to match but of course it's telling us about things that happened over the course of 100's of millions of years, even billions of years in the early universe. And how are we going to tell? We are like, if you go to the football match and you take a picture of the entire crowd of people there. That's like taking a picture of all the galaxies that exist. And you see small people, large people, young people, old people and now you the scientist had to figure out how do small people become large people. And what is the history of people from taking a picture of the stadium full of football fans. So we have the same problem in astronomy so we're going to have to figure out how to compare the movie that I just showed you which is dynamic in time with what really happened. So another thing I wanted to mention is that this is going to happen to us. Here is another super computer simulation of 2 galaxies colliding. We know that the Andromeda Nebula which is the nearest large galaxy to ours is headed in our direction and we expect a collision to occur roughly like this in about 2 or 3 billion years. So it will be probably not observable to us because the sun will also be getting brighter over that period of time and it will be too hot for us to live here on earth regardless of what we do about climate change and energy sources. Another thing to point out about this one is that the solar system is on the outer boundary of our galaxy and it is pretty likely that it will be expelled from the galaxy altogether and it will go flying off into space in between galaxies. But in the end what we see in this picture is that the 2 galaxies merge and form a beautiful spinning object. By the way, if there's a black hole in the middle of each galaxy as seems to be true there will also be now 2 black holes in the middle of the combined galaxy. And eventually the 2 black holes will merge together. Then according to calculation they will produce a burst of gravitational waves coming out. Gravitational waves have never been observed in nature directly. Although we have deduced that they exist and a Nobel Prize was given for that proof. Anyways. So this is likely to happen to us. And now how are we going to know if any of this is true. So another thing that astronomers really want to know and probably you want to know also, how did we get here? So how about planet formation? Now since about 1996 or so we've been aware that this process occurs. That there are many planets around other stars, once in a while a planet will pass between us and a more distant star and will block some of the star light. So we can now observe this. In space especially it's relatively easy to do because we have very stable telescopes in space, no fluctuations from the earth's atmosphere. So a little bit of the star light passes through the planetary atmosphere on its way to our telescope. We can now analyse that light and determine the chemical composition and the physical properties of the atmosphere of a planet around another star. To this has already been accomplished with a fair number of such targets. We have a catalogue now from the Kepler observatory, which has been flying for a couple of years now, I think, of 2,000 such planets. And there are a few that somewhat resemble the earth. So we are getting close to understanding whether planets like the earth are common. And we can say that they're not very common but there are many, many planets. There are more planets in the galaxy than there are stars. Very, very common. So now however let me talk about how do we learn about these things. So I want to show you the beginnings of telescopes. I'm going to illustrate some of the great projects currently underway to learn about the rest of the universe. So I'm going to present them roughly in the order of increasing frequency of the photons that we use. So at very, very long wavelengths we cannot see anything from the ground because the earth's ionosphere is opaque and it reflects all the radiation back down to the earth that we transmit. And conversely it reflects all the radiation coming to us from outside away. So on the other hand, it is possible in certain parts of the world to go to a very quiet place and build this collection of dipole antennas which are hooked together electronically to synthesise a map of the sky. So this is a proof of concept observatory. Various things that we are aiming for with this radio telescope. Among other things, we hope to see the beginnings of the first emissions from hydrogen lines. Now hydrogen emits here on the ground at a frequency of 1,421 megahertz. If you are observing hydrogen at a great, great distance away, the material that's going away from us because of the red shift, the wave lengths will be much longer. And so we use these very large rays of dipoles. They're all hooked together by cables and actually produce an image of the sky by Fourier transformation of the waves that come in. So this is a case where computer technology has enabled us to do something that was never possible at all remotely before. So, another thing we're working on now is something called the Square Kilometre Array. Can you imagine a telescope covering an entire square kilometre? Well there are 2 concepts and the international body that decided which one to choose has just decided to do both of them. One will be built in Australia where it's relatively quiet, it's very far away from cell phones and other radio transmitters. The other one in South Africa, likewise a place that's protected from radio interference. So these are coming and it's a very difficult and expensive project but it is coming. The technical design has been basically completed. So we know what to build. So this will be able to detect things that we have barely only imagined. And of course we hope for surprises. You can just see from the picture how truly immense this is. We have already... We're nearing completion of this beautiful observatory. This is called the Atacama Large Millimetre Array. This is a collection of about 64 radio dishes in the high desert in Chile. It's a high enough altitude that people that go there require oxygen to be safe. There are little buildings that they have for you with enriched oxygen atmosphere. This is another totally amazing technological miracle. To make this one work we have to have microwave receivers at the focus points of each of these dishes. They have to be connected by fibre optics. And we have to measure the relative phase of the waves that are coming in to the different telescopes with a precision of a small fraction of a millimetre. In order to again use the giant computer to create an image of the sky. The computers that it takes to do this processing use hundreds of kilowatts of electrical power. And they are probably the most powerful special purpose computers anywhere in the world. Because they're not general purpose they can be optimised. But at any rate, we're already able to create images with the first dishes that have come on line. And there's one on the upper right corner. Comparing the radio picture with the pictures that we get at shorter wavelengths with the Hubble Space Telescope. So, the radio picture is quite different from what we see with the Hubble. And they've shown the different wavelengths in different colours. So now I want to talk just briefly about the equipment that we use to measure the cosmic microwave background radiation and what is coming next. Back in 1974 I was a recent escapee from Berkley, California. I had finished by PhD, working on a thesis project to measure the cosmic microwave background radiation. And I had concluded that this subject was extremely difficult because my thesis project actually failed to function correctly. It was a balloon instrumentation that went up on a balloon, it did not work at all for 3 different reasons. We got it back and my lap partner put it in a test chamber. We found out why it didn't work and then they flew it again later and it worked the second time. So it was now possible with that apparatus to measure the spectrum of the cosmic microwave background radiation, how bright is it at each different wavelength. Now the Big Bang theory tells you that the spectrum of this radiation must be perfectly black body. And so that apparatus, the balloon burn apparatus, said yes it's pretty close but not exactly. But then certainly after I left Berkley NASA said we want proposals for satellite missions. This is now only 5 years after the Apollo moon landing. So what is NASA going to do? So propose satellites. So, I said to my postdoctoral advisor: So we'd draw this little sketch and we built something about, like that upper left hand picture. And 15 years later it went into space and I guess 17 years after that we got a call from Stockholm. Because we had measured the Big Bang spectrum and it was indeed virtually perfect spectrum. And as George will probably tell you more later, we also measured the map of the radiation. And we found out it has hot and cold spots. Which are the primordial structures that Brian was telling you about. There are now more scientific papers written about those hot and cold spots than there are spots on that original map. It has become a huge industry. So following that everyone could see that we needed to know more. So the middle picture here is the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. It made an all sky map again but much better sensitivity and much better angular resolution. And it is now the sort of strongest basis for what Brian calls the standard model of cosmology. I would say that we may call it the standard model but it's extremely mysterious even if it is standard. As Brian mentioned we have both cold and dark matter and dark energy. Neither of which has ever been seen in a lab. So, the third project on the lower right hand side here is called the Planck mission, it's a European mission with a small American participation. And their cosmological results have not yet been announced but they are expected next spring. And so we're eagerly looking forward to seeing whether there is a big surprise coming from them. What is going to be done after this? We are now hot on the trail of measuring the effects of the primordial gravitational waves, if they exist. The hypothesis is this primordial material of the inflationary period with its quantum mechanical fluctuations had kind of equal partition between many different kinds of variations and oscillations including gravitational waves. There should have been some. So what would their effect be? We now propagate that idea forward. We calculate that the cosmic microwave background radiation should have tiny, tiny polarisation patterns. And these polarisation patterns should be detectable. They're not that far out of reach today. There is a possibility that they will be detected from the ground or with a balloon payload some time. But if that is not done or if we need to do it better we have already ideas about how to do it in outer space. So here is a concept from Goddard Space Flight Center where I work that shows a sort of improved version of the Cosmic Background Explorer satellite but with polarimeters inside to make a map. So it is possible that in another decade or so, maybe even less, you will hear about the demonstration that either the Big Bang material had gravitational waves in it or not. And this will tell us about the scalar fields or inflationary fields that may have existed that propelled the original expansion. So, this is nature's particle accelerator for us. It's capable of reaching much higher energies than we can ever imagine producing here on the ground. So, a few other things to illustrate. We have an observatory in space currently, built by the European Space Agency and its partners through Europe. This is called the Herschel Observatory and they have already produced some very interesting maps. This is the beautiful Andromeda Nebula. The same one that is headed in our direction. That is going to cause that beautiful collision. It looks quite different with the infrared radiation that they measure. You see these big rings out here. These are rings of places where stars are being formed recently and they're very hot and they produce a lot of dust around them. The dust absorbs the starlight and produces infrared radiation. So a very different phenomena. Here is a small American observatory in space measuring infrared radiation as well. The telescope is 8/10 of a metre in aperture. But nevertheless is able to see galaxies at a red shift of 2 or 3. It's quite astonishing that such a small piece of apparatus can see so far across the universe. But it is a demonstration that we were surprised one more time. When people first proposed building a small telescope like this they said: "Oh, we won't see anything". A few words about the telescope I'm currently working on. This is called the James Webb Space Telescope. By the way James Webb was the man who went to President Kennedy and said: "I know how to get us to the moon". And by the way he also asked for enough money and so they got there. And it took them less than 10 years, we can't even decide to try a project in 10 years. So I'm reporting on this on behalf of all of current earth inhabitants, about 10,000 future users of the observatory, about 1,000 engineers and technicians who are building it and about 100 scientists worldwide who are working on it and 3 space agencies. Because this is a project partnership between NASA and European and Canadian space agencies. So this is what this one looks like, this is the telescope in the upper right hand corner. It does not look like your telescopes you have seen before. It's nothing like Galileo's little tube of wood and nothing like the Hubble Telescope which is also like a tube. This one is very far away from earth. And we put it way away so that the telescope will be cold. The sun and the earth are down here below, here is this big umbrella, here is the telescope, it's in the dark. And it will cool itself down to 45 degrees Kelvin. So by the way to name some of the people who are working on it, our prime contractor is Northrop Grumman which is a large aerospace firm, primarily located near Los Angeles Airport. Anyway we have instruments coming from around the world. The University of Arizona. The European Space Agency with their company Astrium. Notice that we met one of the representatives of that company, who was here yesterday. Jet Propulsion Lab and a European consortium producing another instrument. And finally the Canadians are producing an instrument. The telescope will be operated like the Hubble Space Telescope from Baltimore at the Space Telescope Science Institute. So if you're an astronomer and you want to make a proposal you will be writing proposals the same way that they do today. So, I think it will be ready in time for many of you to write your proposals. So the telescope is huge, it is cold. By the way the European Space Agency is buying the rocket for us. It's an Ariane 5 rocket. So we'll be launching the telescope from Kourou in French Guiana in 2018. So a few things that we hope that this will see. Well, this illustrates the improvement in sensitivity and angular resolution compared with the Hubble Telescope. This is a visualisation from the computer of what the early universe might have looked like. We will certainly hope to see the details looking down inside with the James Webb Telescope. When and how did the galaxies form, how come they have the different shapes that they have. How did the heavy elements of the universe get formed, we know for instance that since, as Brian showed you, we have only the lightest elements came from the big bang. We're not made out of, primarily hydrogen and helium, we're made out of other chemical elements. So they were all produced in stars that exploded and came back out again. So we're quite recycled. The infrared capability will enable us to look inside these beautiful clouds where stars are being born today. The dust that's there in space is opaque. And you cannot see through it. So the aim of an infrared telescope is to see through the dust and around the dust grains. So, here's an illustration of 2 pictures taken with the Hubble Space Telescope of the same volume of space. The Hubble Telescope has some infrared capability. And you can see this region looks totally different. Visible wavelengths and infrared. The visible wavelengths show these beautiful glowing clouds. The dust is much more transparent, you can actually see inside the cloud and see that this star, whatever it is in there, is producing jets of material. And it's probably a very young star doing that. So another picture of the difference between infrared. Here's one picture and there's the same volume of space again. Here's the star in the middle sending out jets of material, quite different from what you see in the visible. So this is a way of us to look inside the clouds of gas and dust where stars are formed. And we begin to learn how this works. So when I went to college people knew how this worked. We still don't know how it works. Because when we actually try to get the computer to simulate what we think is true, we encounter places where it just doesn't work out. So how does the telescope work? Here's a picture of the deployed observatory. There are 5 layers of this giant sun shield. By the way the sun shied is as big as a tennis court. So where Serena Williams is playing that's how big this is, from there to there. And of course we've never had a tennis court in space before so this is a wonderful engineering project. The telescope is folded up for launch. It's much larger than the rocket is. So it's a tremendously difficult engineering project for that as well. We will be putting it far from earth. Here is the picture of where it is. The moon at 384,000 kilometres from earth. The Lagrange point L2, about 1.5 million kilometres. So here is a movie showing how the telescope will unfold in outer space. First we unfold the solar panels. Then we unfold the little parabolic antenna that sends the data back and forth. Now we begin to unfold the sun shield, the big umbrella that protects the observatory from the sun. The actual deployment will happen a few days after launch. We're not in a hurry, it doesn't run this fast. Here the telescope is separating from the warm boxes of the spacecraft electronics. Now we're unfolding the protective covers over the shield. You might say looking at this: Answer is yes. On the other hand, I asked our company: and they said no. So they work for other government agencies as well. So they have learned how to do big complicated things in space. But I've never seen the other things that they do. So here the telescope is finally coming to approximately the right shape. The parabolic, it's almost a parabolic mirror. By the way the telescope is clearly not in focus when it is launched. All of those big beryllium hexagons that make up the primary mirror are adjustable in position and in curvature. So that after a little while we will be able to focus the telescope and get a sharp image. So, how are we going to test this on the ground? Well, we have a giant test chamber at Johnson Space Flight Center in Texas. And this turns out to be the same test chamber where the Apollo astronauts rehearsed getting out of the Apollo capsule onto the surface of the moon. So it's very big and very capable. We've had to improve it by putting cryogenic cooling shrouds around it so it has now not only liquid nitrogen to cool the interior but also a gaseous helium refrigerator. So it will be capable of getting the telescope down to the temperature that it will have in outer space. So we'll be able to verify on the ground that it focuses. So if you want to know more there are many, many documents online. If you just hunt for the James Webb Space Telescope you'll find our home web page and there are documents you can download and many scientific white papers. So for much more detail it is available online, of course. Just to... I want to close with some other suggestions about what is possible in the future and what is happening on the ground. The European Southern Observatory built this amazing collection of 4 giant telescopes on the ground in Chile. Each one of them is 8 metres in diameter. We took our James Webb Telescope team down to visit. To see what was it like to get a huge telescope and of course we decided that we couldn't quite put an 8 metre telescope in space. Ours is only 6 ½ metres. But this collection has been working beautifully for a long time. And some of the most interesting scientific results that you know of today came from these telescopes. Here is one that is being built. It's called the large synoptic survey telescope. This is another 8 metre telescope with a very enormous field of view. So they will be able to scan the entire sky that they can see from their place on earth, every 3 nights. So we will be able to find with this telescope things that change from night to night. We will be able to find asteroids that move. We will find supernovae in great numbers. And possibly a few other remarkable things that change. Gamma ray bursts may turn up for instance. So anyway it's coming along. This is something even more ambitious. This is called the European Extremely Large Telescope. This is a concept for a 40 metre diameter telescope. It's huge. It is now logically possible to do this. We cannot make a 40 metre piece of glass. So, of course, as we do with the James Webb Telescope we will make the mirror out of many smaller pieces. And we will adjust them to shape after the thing is focused. So as I understood it quite recently the project has been approved by the European Southern Observatory subject to continuing negotiations with international partners to get enough money. But it is coming along and I fully expect that this one will happen. In the United States we have 2 competing versions. One is called the Giant Magellan Telescope. This one has 7, 8 metre pieces of glass. All figured to work together. Again these have to be adjusted so they simulate the one giant parabolic mirror. Some of the mirrors have already been made for this one. And so this one I think was also going to come along. In the United States we do not have much government funding for these, so private money has been raised. And so assuming that that continues successfully we will either have 1 or 2 large 30 metre class telescopes in the United States. Here is one that the European Space Agency has now approved to start development. This is called the Euclid mission. This is one which is going to test further the discovery that Brian described about the accelerating universe. We would like, and this is top priority for both Europe and the United States, to continue to measure better the acceleration process. We know pretty well what the acceleration is nearby. We would like to know the history of the acceleration. Now as you go farther back in time the acceleration is smaller relative to the expansion rate that already occurs. So, it's only in the last 5 billion years that acceleration has been dominant. Nevertheless we would like to know the entire history of the acceleration because then we would be able to say whether that W, that parameter that he showed in his equations is actually a constant. No one can prove that it's a constant. We are right now assuming that it's a constant. So this is a small telescope that would be able to cover a very large part of the sky. And with tremendous sensitivity and able to basically measure the curvature of space time over here as the drawing shows. I can't show you space telescopes without showing you the Hubble Space Telescope. The Hubble has been visited 5 times by the space shuttle. And astronomers have upgraded it. It is still working beautifully. It is working better than it has ever worked in the past. So we don't know how long it will last but it's probably at least 5 or 10, maybe 15 years more that it will continue to work well. What happens after that, NASA has to be responsible for it. If we just wait for a while it will fall back down to the earth had could hit someone. So we are required by international treaty to dispose of it safely, either we will have to boost it to a much higher orbit or we will have to aim it at the Pacific Ocean. The piece of glass, there's several tons of glass there and it would come right through the atmosphere as a single piece. So whatever it hits will be damaged. Anyway right now we must send a robot to do this work. We do not have plans to send an astronaut back to end the life of the Hubble Space Telescope. Right now we're working on making sure that it continues. You may have heard that the spy satellites have been given to NASA quite recently. The National Reconnaissance Office is the spy satellite agency in the United States. They built 2 telescopes which they didn't quite finish, they ran out of money. But they said, eventually an agreement was reached with NASA. So NASA will receive the parts for these 2 telescopes. And now we're thinking about what to do with them. If we can get funding to do it, we'll eventually be able to fly 1 or 2 telescopes. These are as large as the Hubble telescope but right now there is no instrumentation to go with them, no space craft to carry them. So, right now it's just the optical parts and some mechanical parts to hold them. So, these are spectacularly good telescopes and they are available for us as soon as we can figure out what to do. Some ambitions for the longer term. When people say: What is the next visible wavelength or ultraviolet telescope for space?" We say: So these are 3 concepts that were provided to the National Academy of Science's survey a few years ago. And here is one where we say: "Let's just get a very large rocket." Then we could fly an 8 metre monolithic piece of glass that would carry this into space. That would work beautifully. If we can't get that, maybe make one out of many segments. Maybe a 9 metre that would fold up. If we have a big rocket and a great ambition, maybe we can make a 16.8 metre telescope with many segments and it would all be carried up in the giant rocket. I see my reminder is reminding me that my time is over. So, I will conclude by saying that there are many things to do with x-ray observatories. We have one up there now that takes great pictures, sees black holes, sees, I should say, things falling into black holes, can't see the black hole. We have ambitions for future x-ray observatories. We have ambitions for even more future x-ray observatories. And we have a project which is not currently going but we hope to revive it in some way to measure the gravitational waves from black holes as they merge. So this was a project that European and the NASA were combining forces to build. Right now it's not happening because we're waiting for revision. Anyway this turned out to be too hard for us at the moment. I think we'll get there eventually. We will find eventually a new way of doing astronomy with black holes and gravitational waves. So, thank you very much. I will be happy to answer questions this afternoon.

Ich möchte nicht über die Arbeit sprechen, für die ich den Nobelpreis erhalten habe, sondern darüber, was heute geschieht und was die Zukunft bringen wird. Als ich ein Kind war, war für mich das Faszinierendste, was ein Wissenschaftler tun konnte, Geräte herzustellen, mit denen man Dinge messen konnte. Anstatt diese Dinge zu beobachten, was sich als schwierig erwies, will ich also etwas bauen. Das habe ich mein ganzes Leben lang getan - ich habe darüber nachgedacht, wie etwas herzustellen war, womit man Dinge messen konnte. Ich will Ihnen zeigen, woran derzeit in der Astronomie gearbeitet wird - nicht nur meine eigene Arbeit, sondern auch die Arbeit anderer. Nur um Ihnen ein Gefühl dafür zu geben, womit wir in Zukunft zu rechnen haben. Ich habe also eine Kristallkugel mitgebracht. Wenn Sie diese Website besuchen, erfahren Sie alles. Ich mache das nicht, weil ich keine gute Frage habe. Heute verfügen wir über ein fantastisches Instrument, das wir vor 30 Jahren noch nicht hatten: einen Supercomputer. Anhand des Computers können wir uns ein Bild davon machen, dass das, was Brian gerade gesagt hat, richtig ist. Dass das Universum voller kalter, dunkler Materie ist und dunkle Energie die Beschleunigung hervorruft. Und gewöhnliche Materie. Anhand von Supercomputer-Simulationen mit zehn Milliarden Teilchen in einer Kiste können wir vorhersagen, was die Gravitationskräfte tun werden. Und hier ist die Simulation - die Bildung einer Galaxie. Das ist eine kleine Auswahl aus zehn Milliarden Teilchen. Und im Computer können Sie sehen, wie all das vor Ihren Augen geschieht. Das ist eines der leistungsstärksten Instrumente, die wir heute haben. Wir müssen aber zugeben, dass wir nicht wissen, ob das Gezeigte der Wahrheit entspricht. Wir müssen also etwas messen, um herauszufinden, ob dieses schöne Bild, das ich gerade gezeigt habe, irgendeine Ähnlichkeit mit der Realität aufweist. Bis jetzt scheint es zu passen, aber natürlich erzählt es uns etwas über Dinge, die im Verlaufe von Hunderten von Millionen Jahren, sogar von Milliarden Jahren im frühen Universum geschehen sind. Wie finden wir die Wahrheit heraus? Es ist so, als würde man bei einem Fußballspiel ein Foto von allen Zuschauern machen. Das ist wie eine Aufnahme aller existierenden Galaxien. Man sieht kleine Menschen, große Menschen, junge und alte Menschen - und jetzt müssen Sie, der Wissenschaftler, herausfinden, wie aus kleinen Leuten große Leute werden. Und welche Geschichte die Menschen haben - anhand der Aufnahme eines Stadions voller Fußballfans. Das gleiche Problem haben wir in der Astronomie. Wir müssen herausfinden, wie wir den Film, den ich Ihnen gerade gezeigt habe, der eine zeitliche Dynamik aufweist, damit vergleichen können, was wirklich geschehen ist. Ich will nicht unerwähnt lassen, was mit uns geschehen wird. Hier sehen Sie eine andere Supercomputer-Simulation von zwei kollidierenden Galaxien. Wir wissen, dass sich der Andromeda-Nebel, bei dem es sich um die unserer Galaxie am nächsten liegende große Galaxie handelt, in unsere Richtung bewegt, und wir erwarten, dass sich in etwa zwei oder drei Milliarden Jahren eine Kollision wie diese ereignet. Wahrscheinlich werden wir sie nicht beobachten können, weil die Sonne im Verlauf dieser Zeit heller werden wird. Hier auf Erden wird es zu heiß für uns sein - ganz egal, wie wir mit dem Klimawandel und den Energiequellen umgehen. In diesem Zusammenhang muss ich darauf hinweisen, dass sich das Sonnensystem im Außenbereich unserer Galaxie befindet. Es ist ziemlich wahrscheinlich, dass es vollständig aus der Galaxie hinausgeschleudert wird und in den intergalaktischen Raum verschwindet. Doch zu guter Letzt sehen wir auf diesem Bild, wie die zwei Galaxien miteinander verschmelzen und ein wunderschönes, sich drehendes Objekt bilden. Nebenbei: Wenn sich in der Mitte jeder der beiden Galaxien ein schwarzes Loch befindet - und danach sieht es aus - wird es in der Mitte der vereinigten Galaxie zwei schwarze Löcher geben. Und letztendlich werden die zwei schwarzen Löcher miteinander verschmelzen. Nach den Berechnungen werden sie dann einen Ausbruch von Gravitationswellen hervorrufen. Gravitationswellen wurden in der Natur noch nie direkt beobachtet, obwohl wir ihre Existenz hergeleitet haben und für diesen Beweis ein Nobelpreis verliehen wurde. Wie auch immer. Das wird wahrscheinlich mit uns geschehen. Doch wie können wir wissen, ob irgendetwas davon wahr ist? Es gibt noch etwas, das Astronomen unbedingt wissen wollen, Sie wahrscheinlich auch: Wie sind wir hierher gekommen? Wie steht es um die Planetenbildung? Nun, seit etwa 1996 wissen wir, dass dieser Prozess abläuft. Dass es viele Planeten gibt, die um andere Sterne kreisen - hin und wieder schiebt sich ein Planet zwischen uns und einen weiter entfernten Stern und blockiert etwas vom Licht des Sterns. Das können wir jetzt beobachten. Vor allem im Weltraum ist das relativ einfach; wir haben sehr stabile Teleskope im Weltraum, ohne die von der Erdatmosphäre ausgehenden Fluktuationen. Ein kleines bisschen vom Licht des Sterns passiert also auf dem Weg zu unserem Teleskop die Atmosphäre des Planeten. Jetzt können wir dieses Licht analysieren und damit die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre eines um einen anderen Stern kreisenden Planeten bestimmen. Das hat man bereits mit einer ganzen Reihe derartiger Ziele fertiggebracht. Dank des Observatoriums "Kepler", das seit ein paar Jahren im All unterwegs ist, haben wir mittlerweile einen Katalog von, ich glaube 2.000 derartiger Planeten. Und ein paar von ihnen gleichen ein bisschen der Erde. Wir nähern uns also der Antwort auf die Frage, ob Planeten wie die Erde häufig anzutreffen sind. Wir können sagen, dass sie nicht sehr häufig sind, aber es gibt viele, viele Planeten. Es gibt mehr Planeten als Sterne in der Galaxie. Sehr, sehr viele. Lassen Sie mich darüber sprechen, wie wir von diesen Dingen lernen. Ich möchte Ihnen etwas über Teleskope erzählen. Ich werde einige der großen derzeit laufenden Projekte erläutern, die uns Aufschluss über den Rest des Universums geben sollen. Die Reihenfolge, in der ich sie vorstelle, richtet sich nach der zunehmenden Frequenz der von uns verwendeten Photonen. Bei sehr, sehr großen Wellenlängen sehen wir vom Boden aus gar nichts, da die Ionosphäre der Erde undurchlässig ist und die gesamte Strahlung, die wir aussenden, zurück zur Erde reflektiert. Umgekehrt hält sie auch die gesamte Strahlung, die von außen zu uns kommt, ab. Andererseits ist es in bestimmten Teilen der Welt möglich, einen sehr ruhigen Platz aufzusuchen und diese Ansammlung von Dipolantennen zu bauen, die elektronisch zusammengeschaltet sind, um eine Karte des Himmels herzustellen. Das ist ein Beispiel für eine Konzeptsternwarte. Dieses Radioteleskop haben wir auf verschiedene Ziele ausgerichtet. Unter anderem hoffen wir, die Anfänge der ersten Emissionen von Wasserstofflinien zu sehen. Hier auf der Erde emittiert Wasserstoff mit einer Frequenz von 1421 MHz. Wenn man Wasserstoff aus sehr, sehr großer Entfernung beobachtet, wird das Material, das sich aufgrund der Rotverschiebung von uns wegbewegt... die Wellenlängen sind viel größer. Deshalb verwenden wir diese enorm großen Dipolstrahlen. Sie sind alle mit Kabeln zusammengeschaltet und produzieren durch die Fourier-Transformation der eintreffenden Wellen ein Bild vom Himmel. In diesem Fall versetzt uns die Computertechnik in die Lage, etwas zu tun, woran zuvor nicht im Entferntesten zu denken war. Ein anderes Projekt, an dem wir derzeit arbeiten, ist das so genannte Square Kilometre Array. Können Sie sich ein Teleskop vorstellen, das einen ganzen Quadratkilometer einnimmt? Nun, es gab zwei Entwürfe, und das internationale Gremium, das sich für einen der beiden entscheiden sollte, hat gerade entschieden, beide zu verwirklichen. Das eine wird in Australien gebaut, dort, wo es vergleichsweise ruhig ist; sehr weit entfernt von Handys und anderen Funksendern. Das andere in Südafrika, ebenfalls an einem vor Funkstörungen geschützten Ort. Das ist ein sehr schwieriges und teures Zukunftsprojekt, aber es wird verwirklicht. Die technische Entwurfsplanung ist im Wesentlichen fertig; wir wissen also, was zu bauen ist. Es wird in der Lage sein, Dinge wahrzunehmen, die wir uns bisher kaum vorstellen konnten. Und natürlich hoffen wir auf Überraschungen. An diesem Bild können sie sehen, wie wahrhaft gewaltig das Vorhaben ist. Wir haben bereits... wir nähern uns der Fertigstellung dieses wunderschönen Observatoriums. Es trägt den Namen Atacama Large Millimetre Array. Hierbei handelt es sich um eine Ansammlung von etwa 64 Radioantennen in der chilenischen Hochwüste. Es befindet sich in so großer Höhe, dass die Menschen, die sich dort aufhalten, zu ihrer Sicherheit Sauerstoff benötigen. Dafür gibt es kleine Gebäude mit angereichter Sauerstoffatmosphäre. Das ist ein weiteres absolut unfassbares technisches Wunderwerk. Damit es funktioniert, benötigen wir Mikrowellenempfänger an den Fokuspunkten all dieser Antennen. Sie müssen mit Glasfaser verbunden werden. Und wir müssen die Phasenlage der bei den verschiedenen Teleskopen eintreffenden Wellen mit der Präzision eines kleinen Millimeterbruchteils messen, um dann mit dem gigantischen Computer ein Bild vom Himmel zu erzeugen. Die Computer, die man für die Verarbeitung dieser Daten benötigt, verbrauchen Hunderte von Kilowatt elektrischen Stroms. Es handelt sich wahrscheinlich um die leistungsstärksten Spezialcomputer, die es auf der Welt gibt. Da es keine Universalcomputer sind, können sie optimiert werden. Jedenfalls sind wir schon in der Lage, mit den ersten Antennen, die in Betrieb genommen wurden, Bilder zu erzeugen. Eines sehen Sie rechts oben - ein Radiobild im Vergleich zu den Bildern, die das Weltraumteleskop Hubble bei kürzeren Wellenlängen liefert. Das Radiobild unterscheidet sich stark von dem, was wir mit Hubble sehen; die verschiedenen Wellenlängen werden in verschiedenen Farben dargestellt. Jetzt möchte ich kurz auf die Geräte eingehen, die wir zur Messung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds verwenden; dann werfe ich noch einen Blick in die nächste Zukunft. Im Jahr 1974 hatte ich gerade Berkeley, California absolviert. Ich hatte promoviert; meine Doktorarbeit war ein Projekt zur Messung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Und ich war zu der Erkenntnis gelangt, dass dieses Thema extrem schwierig war - mein Promotionsprojekt funktionierte nämlich nicht richtig. Es handelte sich um Messgeräte, die in einem Ballon nach oben stiegen. Das Ganze funktionierte überhaupt nicht, und zwar aus drei verschiedenen Gründen. Wir bekamen es zurück, und mein Laborpartner brachte es in eine Prüfkammer. Wir fanden heraus, warum es nicht funktioniert hatte. Dann ließ man es später erneut steigen, und beim zweiten Mal funktionierte es. Mit diesem Apparat war es nunmehr möglich, das Spektrum des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zu messen - wie hell es bei den verschiedenen Wellenlängen ist. Nun, die Urknalltheorie sagt uns, dass das Spektrum dieser Strahlung das eines vollkommenen Schwarzkörpers sein muss. Und dieser Apparat, der in einem Ballon beförderte Apparat, sagt: Ja, es kommt dem ziemlich nahe, aber nicht genau. Nachdem ich Berkeley verlassen hatte, bat die NASA um Vorschläge für Satellitenmissionen. Das war nur fünf Jahre nach der Apollo-Mondlandung. Was gäbe es für die NASA jetzt zu tun? Also Vorschläge für Satelliten. Ich sagte zu meinem Promotionsbetreuer: "Nun, mein Promotionsprojekt hat nicht geklappt, aber es hätte auch im Weltraum durchgeführt werden müssen." Wir fertigten diese kleine Zeichnung an und bauten etwas, das wie auf dem Bild links oben aussah. Und 15 Jahre später flog es ins All, und ich glaube, weitere 17 Jahre danach bekamen wir einen Anruf aus Stockholm. Wir hatten nämlich das Spektrum des Urknalls gemessen, und es war in der Tat ein praktisch perfektes Spektrum. Wie Ihnen George später wahrscheinlich ausführlich erzählen wird, vermaßen wir auch die Karte der Strahlung. Und wir fanden heraus, dass sie warme und kalte Stellen aufweist, wobei es sich um die ursprünglichen Strukturen handelt, über die Brian gesprochen hat. Mittlerweile gibt es mehr wissenschaftliche Abhandlungen über diese warmen und kalten Stellen, als es Stellen auf der Originalkarte gibt. Das Ganze ist zu einer riesigen Industrie geworden. Im Anschluss daran konnte jeder sehen, dass wir mehr herausfinden mussten. Auf dem mittleren Bild sehen Sie die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Sie fertigte erneut eine Karte des ganzen Himmels an, aber mit viel größerer Empfindlichkeit und viel besserer Winkelauflösung. Diese Karte ist heute so etwas wie der stärkste Grundpfeiler dessen, was Brian das Standardmodell der Kosmologie nennt. Ich würde sagen, wir können es das Standardmodell nennen, aber es ist hochgradig mysteriös, auch wenn es der Standard ist. Wie Brian sagte - wir haben sowohl kalte als auch dunkle Materie und dunkle Energie. Nichts davon wurde jemals in einem Labor gesehen. Das dritte Projekt, hier rechts unten zu sehen, trägt den Namen Planck-Mission. Es handelt sich um eine europäische Mission mit einem kleinen Beitrag Amerikas. Die kosmologischen Ergebnisse wurden noch nicht bekannt gegeben; sie werden für nächstes Frühjahr erwartet. Wir sind schon ganz gespannt darauf, ob es hier eine große Überraschung gibt. Was ist danach zu tun? Derzeit sind wir mit unseren Messungen den Auswirkungen der urzeitlichen Gravitationswellen auf der Spur, falls sie existieren. Die Hypothese lautet wie folgt: Die Urmaterie der Inflationsperiode mit ihren quantenmechanischen Fluktuationen wies so etwas wie gleich große Partitionen zwischen vielen verschiedenen Arten von Variationen und Oszillationen einschließlich Gravitationswellen auf. Es müsste ein paar gegeben haben. Was wären ihre Auswirkungen? Denken wir die Idee einmal weiter: Nach unseren Berechnungen sollte die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung winzige Polarisationsmuster aufweisen. Diese Polarisationsmuster sollten nachweisbar sein; sie sind mittlerweile fast in Reichweite gerückt. Es besteht die Möglichkeit, dass sie eines Tages vom Boden aus oder mithilfe einer Vorrichtung in einem Ballon aufgespürt werden. Aber wenn das nicht oder nicht gut genug gelingt, haben wir schon Vorstellungen darüber, wie man es im Weltraum zuwege bringen könnte. Hier sehen Sie ein aus dem Goddard Space Flight Center, meinem Arbeitsplatz, stammendes Konzept. Es handelt sich um so etwas wie eine verbesserte Version des Satelliten Cosmic Background Explorer; im Inneren befinden sich Polarimeter zur Herstellung einer Karte. Es ist möglich, dass Sie in zehn Jahren, vielleicht sogar früher, von dem Nachweis hören, dass beim Urknall Gravitationswellen entstanden sind oder auch nicht. Und das wird uns Aufschlüsse über die Skalarfelder bzw. Inflationsfelder geben, die möglicherweise existiert und die ursprüngliche Expansion in Gang gesetzt haben. Das ist also unser Teilchenbeschleuniger der Natur. Er kann viel höhere Energien erzeugen, als wir uns das hier auf der Erde jemals vorstellen können. Ich will Ihnen noch ein paar andere Dinge nahebringen. Wir haben derzeit ein von der Europäischen Weltraumbehörde und ihren Partnern in Europa gebautes Observatorium im All. Es trägt den Namen Herschel-Weltraumteleskop und hat bereits einige sehr interessante Karten hergestellt. Das ist der wunderschöne Andromeda-Nebel. Eben jener, der in unsere Richtung unterwegs ist; der diese schöne Kollision hervorrufen wird. Im Bereich der Infrarotstrahlung gemessen sieht er ganz anders aus. Sie sehen diese großen Ringe hier draußen. Das sind Ringe von Orten, an denen sich vor kurzem Sterne gebildet haben; sie sind sehr heiß und produzieren eine Menge Staub um sich herum. Der Staub absorbiert das Sternenlicht und produziert Infrarotstrahlung. Also ein ganz anderes Phänomen. Hier sehen Sie ein kleines amerikanisches Weltraumteleskop, das ebenfalls Infrarotstrahlung misst. Das Teleskop hat eine Öffnung von 80 cm; dennoch ist es in der Lage, Galaxien bei Rotverschiebungen von 2 oder 3 zu sehen. Es ist wirklich erstaunlich, dass so ein kleiner Apparat so weit ins Universum blicken kann. Wir wurden wieder einmal überrascht. Als man vorschlug, ein kleines Teleskop wie dieses zu bauen, war die Antwort: "Oh, wir werden gar nichts sehen." Lassen Sie mich ein paar Worte über das Teleskop verlieren, an dem ich gerade arbeite. Es nennt sich James Webb-Weltraumteleskop. James Webb war übrigens der Mann, der zu Präsident Kennedy ging und sagte: "Ich weiß, wie wir zum Mond kommen." Nebenbei bat er um ausreichend Geld, und sie kamen hin. Sie brauchten dafür weniger als zehn Jahre - wir können uns in zehn Jahren nicht einmal dazu durchringen, ein Projekt zu versuchen. Ich berichte darüber im Namen aller derzeitigen Erdbewohner, im Namen von etwa 10.000 künftigen Nutzern des Teleskops, von etwa 1.000 Ingenieuren und Technikern, die es bauen, von etwa 100 Wissenschaftlern auf der ganzen Welt, die daran arbeiten, und von drei Weltraumbehörden. Das ist nämlich eine Projektpartnerschaft zwischen der NASA und der europäischen bzw. kanadischen Weltraumbehörde. So sieht es aus - es ist das Teleskop rechts oben. Es sieht ganz anders aus als die Teleskope, die Sie kennen. Es unterscheidet sich stark von Galileos kleiner Holzröhre, und auch vom Hubble-Teleskop, das ebenfalls röhrenartig ist. Das hier ist sehr weit von der Erde entfernt. Wir bringen es weit nach draußen, damit das Teleskop kalt bleibt. Sonne und Erde sind hier unten; hier ist dieser große Schirm, hier ist das Teleskop, es ist im Dunkeln. Und es kühlt sich auf 45 Grad Kelvin ab. Um einige der daran arbeitenden Namen zu erwähnen - unser Hauptauftragnehmer ist Northrop Grumman, ein großes, vor allem in der Nähe des Flughafens von Los Angeles ansässiges Luft- und Raumfahrtunternehmen. Aber unsere Instrumente kommen aus der ganzen Welt. Beteiligt sind die University of Arizona; die europäische Weltraumbehörde mit ihrem Unternehmen Astrium - einen der Vertreter dieses Unternehmens, der gestern hier war, haben wir getroffen. Jet Propulsion Lab stellt zusammen mit einem europäischen Konsortium ein weiteres Instrument her. Und schließlich produzieren auch die Kanadier ein Instrument. Das Teleskop wird wie das Hubble-Weltraumteleskop von Baltimore aus betrieben werden, im Space Telescope Science Institute. Wenn Sie dann Astronom sind und einen Vorschlag einreichen wollen, können Sie das auf die gleiche Weise tun, wie man es heute macht. Ich denke, es wird so rechtzeitig fertig, dass viele von Ihnen Vorschläge einreichen können. Das Teleskop ist riesig, und es ist kalt. Die europäische Weltraumbehörde besorgt übrigens die Rakete für uns. Es handelt sich um eine Ariane 5-Rakete. Wir werden das Teleskop im Jahr 2018 von Kourou in Französisch Guayana aus starten. Ein paar Dinge, die wir damit, so hoffen wir, sehen werden - dieses Bild macht die Verbesserung von Empfindlichkeit und Winkelauflösung im Vergleich zum Hubble-Teleskop deutlich. Das ist eine Visualisierung des Computers, wie das frühe Universum ausgesehen haben könnte. Wir hoffen sehr, dass wir die Einzelheiten erkennen, wenn wir mit dem James Webb-Teleskop hineinsehen. Wann und wie bildeten sich die Galaxien? Wie kam es dazu, dass sie verschiedene Formen aufweisen? Wie wurden die schweren Elemente des Universums gebildet? Wie Ihnen Brian gezeigt hat, wissen wir zum Beispiel, dass aus dem Urknall nur die leichtesten Elemente entstanden. Wir sind aber nicht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium, wir sind aus anderen chemischen Elementen gemacht. Sie wurden alle in Sternen hergestellt, die explodierten, und die Elemente wurden wieder freigesetzt. Wir sind also gewissermaßen recycelt. Die Infrarotfähigkeit wird uns in die Lage versetzen, ins Innere dieser schönen Wolken zu sehen, wo heute Sterne geboren werden. Der Staub, der sich im All befindet, ist lichtundurchlässig; man kann nicht durch ihn hindurchsehen. Ziel eines Infrarotteleskops ist es also, durch den Staub und um die Staubkörner herum zu sehen. Hier sehen Sie eine Darstellung von zwei mit dem Hubble-Weltraumteleskop aufgenommenen Bildern des gleichen Raumvolumens. Das Hubble-Teleskop verfügt über eine gewisse Infrarotfähigkeit. Wie Sie sehen, sieht diese Region ganz anders aus. Sichtbare Wellenlängen und Infrarot. Die sichtbaren Wellenlängen zeigen diese schönen glühenden Wolken. Der Staub ist viel transparenter; man kann tatsächlich in die Wolke hineinsehen und feststellen, dass dieser Stern, was immer sich darin befindet, Jets aus Materie produziert. Das ist wahrscheinlich ein sehr junger Stern. Ein weiteres Bild zur Veranschaulichung des Unterschieds, den Infrarot ausmacht. Hier sehen Sie ein Bild, und hier ist wieder das gleiche Raumvolumen - der Stern in der Mitte sendet Jets aus Materie aus, ganz anders als das, was man im sichtbaren Bereich erkennt. Auf diese Weise sehen wir also in das Innere von Wolken aus Gas und Staub, wo Sterne gebildet werden. Und wir fangen an zu lernen, wie das funktioniert. Als ich ins College ging, glaubte man zu wissen, wie es funktioniert, aber wir wissen es immer noch nicht. Wenn wir nämlich versuchen, mit dem Computer das zu simulieren, was wir für die Wahrheit halten, stoßen wir auf Orte, an denen es einfach nicht gelingt. Wie funktioniert das Teleskop? Hier sehen Sie ein Bild seiner Bestandteile. Diese riesige Sonnenblende besteht aus fünf Lagen. Die Sonnenblende ist übrigens so groß wie ein Tennisplatz; sie ist also so groß wie der Platz, auf dem Serena Williams spielt, von hier nach dort. Natürlich hatten wir bisher noch nie einen Tennisplatz im Weltall - das ist also ein wunderbares technisches Projekt. Das Teleskop wird für den Start zusammengefaltet. Es ist viel größer als die Rakete, weshalb das Projekt technisch ungemein schwierig ist. Wir bringen es weit von der Erde weg. Auf diesem Bild sieht man, wo es sich befinden wird. Der Mond ist 384.000 Kilometer von der Erde entfernt, der Lagrange-Punkt L2 ungefähr 1,5 Millionen Kilometer. Dieser Film zeigt, wie sich das Teleskop im Weltall entfaltet. Zuerst entfalten wir die Solarpaneele. Dann entfalten wir die kleine Parabolantenne, mit der die Daten hin und her gesendet werden. Nun beginnen wir mit der Entfaltung der Sonnenblende, des großen Schirms, der das Teleskop vor der Sonne schützt. Der tatsächliche Einsatz ist erst für ein paar Tage später vorgesehen. Wir sind nicht in Eile; so schnell läuft das nicht ab. Hier trennt sich das Teleskop von den warmen Behältern der Raumsondenelektronik. Jetzt entfalten wir die Schutzhülle über dem Schirm. Wenn Sie das sehen, werden Sie vielleicht sagen: "Ist das nicht furchtbar kompliziert?" Die Antwort lautet: ja. Andererseits habe ich das Unternehmen gefragt: "Ist das hier das komplizierteste Objekt, das Sie jemals ins All gebracht haben?" Sie sagten nein. Sie arbeiten auch für andere Behörden und haben gelernt, wie man mit großen komplizierten Dingen im Weltall umgeht. Die anderen Dinge, die sie tun, habe ich allerdings nie gesehen. Hier schließlich nimmt das Teleskop allmählich seine richtige Gestalt an. Der parabolförmige... der Spiegel ist fast parabolförmig. Übrigens ist das Teleskop natürlich zu Beginn nicht scharf eingestellt. All diese großen Beryllium-Sechsecke, aus denen der Hauptspiegel besteht, sind in Position und Krümmung verstellbar. Nach kurzer Zeit sind wir also in der Lage, das Teleskop zu fokussieren und ein scharfes Bild zu bekommen. Wie testen wir das auf der Erde? Nun, wir haben am Johnson Space Flight Center in Texas eine riesige Versuchskammer. Zufälligerweise handelt es sich um dieselbe Prüfkammer, in der die Apollo-Astronauten den Ausstieg aus der Apollo-Kapsel auf die Mondoberfläche geprobt haben. Sie ist also sehr groß und sehr leistungsstark. Wir mussten sie verbessern, indem wir um sie herum einen Flüssiggas-Kühlmantel anbrachten. Jetzt wird nicht nur ihr Inneres mit flüssigem Stickstoff gekühlt; sie verfügt auch über eine Kühlung mit gasförmigem Helium. Damit ist sie in der Lage, das Teleskop auf die Temperatur herunterzukühlen, die es im Weltall haben wird. Wir können also auf der Erde die Scharfstellung überprüfen. Wenn Sie noch mehr wissen wollen - online gibt es viele, viele Dokumente. Suchen Sie einfach nach dem James Webb Space Telescope, und Sie finden unsere Homepage. Es gibt Dokumente zum Herunterladen und viele wissenschaftliche Abhandlungen. Online erhalten Sie also viel ausführlichere Informationen. Schließen möchte ich mit einigen anderen Vorschlägen, was in der Zukunft möglich ist und was auf der Erde geschieht. Das European Southern Observatory hat dieses fantastische System von vier riesigen erdgebundenen Teleskopen in Chile gebaut. Jedes von Ihnen hat einen Durchmesser von acht Metern. Wir waren mit dem James Webb Telescope-Team dort - um zu sehen, wie es ist, wenn man mit einem riesigen Teleskop zu tun hat. Natürlich war uns klar, dass wir kein Acht-Meter-Teleskop in den Weltraum bringen würden. Das unsere hat nur 6 1/2 Meter. Aber dieses System arbeitet schon lange ganz hervorragend. Und einige der interessantesten wissenschaftlichen Ergebnisse, die Sie heute kennen, stammen von diesen Teleskopen. Hier sehen Sie eines, das gerade gebaut wird; es trägt den Namen Large Synoptic Survey Telescope. Dabei handelt es sich um ein weiteres Acht-Meter-Teleskop mit einem enormen Blickfeld - 9,6 Quadratgrad, was CCD-Sensoren mit Milliarden von Pixeln bedeutet. Damit ist man in der Lage, in drei Nächten den gesamten Himmel zu durchmustern, den man von seinem Standort auf der Erde aus sehen kann. Mit diesem Teleskop werden wir also Dinge ausfindig machen können, die sich von einer Nacht zur anderen verändern. Wir entdecken Asteroiden, die sich bewegen. Wir werden eine große Zahl von Supernovae beobachten. Und möglicherweise ein paar andere bemerkenswerte Objekte, die sich verändern. Zum Beispiel können Gammastrahlenausbrüche auftauchen. Das Projekt läuft jedenfalls. Hier haben wir etwas, das noch ambitionierter ist. Es nennt sich das European Extremely Large Telescope. Dabei handelt es sich um den Entwurf eines Teleskops mit einem Durchmesser von 40 Metern. Mittlerweile ist es logisch möglich, so etwas zu machen. Wir können allerdings kein 40 Meter großes Stück Glas herstellen. Wir werden also, wie wir es beim James Webb-Teleskop machen, den Spiegel aus vielen kleineren Teilen zusammensetzen. Und nachdem das Ganze scharfgestellt ist, werden wir deren Form anpassen. Wie ich erst vor kurzem erfahren habe, wurde das Projekt von der Europäischen Südsternwarte genehmigt - vorbehaltlich laufender Verhandlungen mit internationalen Partnern zur Beschaffung ausreichender Geldmittel. Aber das Projekt läuft, und ich erwarte auf jeden Fall, dass es in die Tat umgesetzt wird. In den Vereinigten Staaten haben wir zwei konkurrierende Versionen. Die eine nennt sich Giant Magellan Telescope mit sieben, acht Meter großen Glasstücken. Alle so ausgerichtet, dass sie zusammenwirken. Auch sie müssen angepasst werden, um den einen gigantischen Parabolspiegel zu simulieren. Ein paar der Spiegel dafür wurden bereits hergestellt. Auch dieses Projekt läuft also, wie ich denke. In den Vereinigten Staaten gibt es für so etwas nicht viel staatliche Förderung, weshalb private Mittel beschafft wurden. Unter der Annahme einer erfolgreichen Weiterführung werden wir also in den Vereinigten Staaten entweder eines oder zwei große Teleskope der 30-Meter-Klasse haben. Hier sehen Sie eines, dessen Entwicklungsstart die europäische Weltraumbehörde gerade genehmigt hat. Sein Name ist Euclid-Mission. Damit wird die Entdeckung, die Brian im Zusammenhang mit dem sich beschleunigenden Universum dargestellt hat, weiter untersucht. Wir würden gerne die Messung des Beschleunigungsprozesses weiterhin verbessern - das hat sowohl in Europa als auch in den Vereinigten Staaten oberste Priorität. Wir wissen ziemlich gut, wie stark die Beschleunigung in der Nähe ist. Wir würden gerne die Geschichte der Beschleunigung kennen. Wenn man in der Zeit zurückgeht, ist die Beschleunigung im Verhältnis zur Rate der bereits vorhandenen Expansion kleiner. Erst in den letzten fünf Milliarden Jahren war die Beschleunigung dominant. Nichtsdestoweniger würden wir gerne die ganze Geschichte der Beschleunigung kennen, denn dann könnten wir sagen, ob W, jener Parameter, der aus seiner Gleichung hervorgeht, tatsächlich eine Konstante ist. Niemand kann beweisen, dass er eine Konstante ist. Zum jetzigen Zeitpunkt vermuten wir, dass er eine Konstante ist. Das ist ein kleines Teleskop, das in der Lage wäre, einen sehr großen Teil des Himmels abzudecken - und zwar mit enormer Empfindlichkeit und im Prinzip mit der Fähigkeit, die Krümmung der Raumzeit zu messen, wie die Zeichnung zeigt. Wenn ich über Weltraumteleskope spreche, muss ich Ihnen auch das Hubble Space Telescope vorstellen. Hubble wurde fünfmal vom Space Shuttle besucht. Astronomen haben es nachgerüstet. Es leistet immer noch hervorragende Arbeit. Es arbeitet besser als irgendwann in der Vergangenheit. Wir wissen nicht, wie lange es noch durchhält, aber es wird wahrscheinlich mindestens weitere fünf oder zehn, vielleicht sogar 15 Jahre gute Dienste leisten. Dafür, was dann passiert, ist die NASA verantwortlich. Wenn wir einfach abwarten, wird es zurück auf die Erde fallen und könnte jemanden treffen. Wir sind daher durch einen internationalen Vertrag verpflichtet, es sicher zu entsorgen. Entweder müssen wir es in eine viel höhere Umlaufbahn bringen, oder wir müssen es in den Pazifik fallen lassen. Das Glas... wir haben es mit mehreren Tonnen Glas zu tun; es würde die Atmosphäre in einem Stück durchdringen. Was auch immer getroffen wird, erleidet einen Schaden. Jedenfalls müssen wir diesen Job einen Roboter erledigen lassen. Wir planen nicht, einen Astronauten hinaufzuschicken, um das Leben des Hubble Space Telescope zu beenden. Derzeit arbeiten wir daran, sein Fortbestehen zu sichern. Sie haben vielleicht gehört, dass die NASA vor kurzem Spionagesatelliten geschenkt bekommen hat. Die für Spionagesatelliten zuständige Behörde in den Vereinigten Staaten ist das National Reconnaissance Office (nationaler Aufklärungsdienst). Dort wurden zwei Teleskope gebaut, aber sie sind nicht ganz fertig geworden; das Geld ist ausgegangen. Schließlich wurde eine Vereinbarung mit der NASA getroffen. Die NASA bekommt die Teile für diese zwei Teleskope. Und jetzt überlegen wir, was wir mit ihnen anstellen sollen. Wenn wir die Mittel dafür aufbringen, können wir irgendwann eines oder beide Teleskope ins All schießen. Sie sind so groß wie das Hubble-Teleskop, aber derzeit gibt es keine Instrumente, mit denen man sie ausstatten könnte, und kein Raumfahrzeug, das sie befördern würde. Momentan haben wir nur die optischen Teile und einige mechanische Teile als Halterung. Das sind spektakulär gute Teleskope, und sie stehen uns zur Verfügung, sobald wir herausfinden, was wir mit ihnen anfangen können. Einige langfristige Ambitionen. Wenn man uns fragt: "Was werden wir nach dem Hubble-Weltraumteleskop machen? Was ist die nächste sichtbare Wellenlänge, das nächste Ultraviolett-Teleskop im All?" Dann antworten wir: die der National Academy of Science vor einigen Jahren zur Prüfung vorgelegt wurden. Und hier ist eines, bei dem wir sagen: "Besorgen wir uns eine sehr große Rakete." Damit könnten wir dann ein aus einem Stück bestehendes Acht-Meter-Glas ins All schießen. Das würde wunderbare Arbeit leisten. Wenn daraus nichts wird, stellen wir vielleicht eins aus vielen Segmenten her. Vielleicht eins mit neun Metern zum Zusammenfalten. Wenn wir eine große Rakete und große Ambitionen haben, können wir vielleicht ein 16,8-Meter-Teleskop mit vielen Segmenten bauen, und alles würde in der riesigen Rakete nach oben befördert. Man ermahnt mich, dass meine Redezeit abgelaufen ist. Daher schließe ich mit der Bemerkung, dass man mit Röntgenobservatorien viele Dinge anstellen kann. Eines haben wir derzeit dort oben - es macht großartige Bilder, es sieht schwarze Löcher... ich sollte besser sagen: Es sieht Objekte in schwarze Löcher fallen. Ein schwarzes Loch kann es nicht sehen. Unser Ziel sind weitere Röntgenobservatorien in der Zukunft. Unser Ziel sind noch mehr Röntgenobservatorien in der Zukunft. Und wir haben ein Projekt, das derzeit ruht, aber wir hoffen, dass wir es irgendwie wiederbeleben können - ein Projekt zur Messung von Gravitationswellen bei ihrem Austritt aus schwarzen Löchern. Für dieses Projekt haben die europäische Weltraumbehörde und die NASA ihre Kräfte gebündelt. Derzeit ruht es; wir warten auf eine Überarbeitung. Wie auch immer - es hat sich gezeigt, dass es momentan für uns nicht machbar ist. Ich denke aber, irgendwann werden wir es verwirklichen. Letztendlich werden wir einen neuen Weg finden, Astronomie mit schwarzen Löchern und Gravitationswellen zu betreiben. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Fragen beantworte ich gerne heute Nachmittag.

John Mather (2012)

Seeing Farther with New Telescopes

John Mather (2012)

Seeing Farther with New Telescopes

Abstract

Since Galileo’s telescope in 1609, new technologies in space and on the ground have been extending astronomers’ reach every year, and this is truly the Golden Age of Astronomy. Already three satellites (COBE, WMAP, and Planck) have clearly observed the tiny fluctuations of the cosmic microwave background radiation from the Big Bang, and we now have a standard model for cosmology that includes dark matter, dark energy, neutrinos, heat radiation, and ordinary matter, all set going by processes in the first few minutes of the Universe. For further cosmic microwave background radiation studies, arrays of thousands of pixels operating below 1 Kelvin are producing astonishing sensitivity in the search for the nano-kelvin polarizations in the CMB that would be produced by gravitational waves in the Big Bang. At far infrared wavelengths, single photon counting is becoming feasible, and coupled with microstrip spectrometers printed on substrates, will enable enormous breakthroughs in studying the cold universe of dust and molecules. At mid-infrared wavelengths the 3.5 m Herschel observatory, launched in 2009, carries instruments to observe the physical and molecular composition of gas clouds, the formation of stars and galaxies, and the atmospheres of the planets in the Solar System. At near- and mid-infrared wavelengths, the James Webb Space Telescope will be launched in 2018 to carry many megapixels of nearly-ideal detectors into space, connected to a 6.5 m deployable cold telescope, to advance our knowledge of the first stars and black holes, the growth of galaxies, the formation of stars and planetary systems near by, and the evolution of planetary systems and the search for life outside the solar system. The 2.4 m Hubble Space Telescope, now 22 years old but upgraded in 2009 with new instruments, continues to amaze with scientific discoveries ranging from distant supernovae and measures of the cosmic acceleration, to the measurement of atmospheric properties of planets around other stars. The Kepler mission, launched in 2009, has revealed over 2000 planet candidates, many in multi-planet systems, and some resemble the Earth in having the right size and temperature to support life. The Chandra X-ray observatory, launched in 1999, takes pictures of material falling into black holes, or being expelled at extreme speeds, and looks at the debris of supernova explosions, the hot gas clouds where galaxies collide, and tells us of the existence of dark matter. The Fermi mission, launched in 2008, observes gamma rays from extremely hot places, has seen the remains of Tycho Brahe’s supernova of 1572 and discovered the youngest millisecond pulsar in its catalog of over 100 gamma-ray pulsars, and has given hints that dark matter may be annihilating to produce part of the gamma ray glow of our Galaxy. And although no detections have yet been made, the LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) has pushed the technology so far that motions far smaller than the size of an atomic nucleus can be measured. When the sensitivity improves enough, possibly with new space observatories now under study, a new domain of astronomy will be opened up, inspecting the collapse and collision of neutron stars and black holes to the farthest reaches of the universe.

On the ground, telescope technology continues to advance as well. Both Europe and the US are working on gigantic observatories with 30-m diameter mirrors, all made of segments. They work with advanced laser guide stars and adaptive optics to compensate for the shimmering of the Earth’s atmosphere, giving the chance for incredibly sharp new images of extremely faint objects. Advanced photonic technologies using fiber optics are leading to ways to block molecular emission lines of the Earth’s upper atmosphere, improving telescope sensitivity in the near IR. And the ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) in the very high (5000 m) desert in Chile is now coming online with a set of dishes up to 16 km apart. It is a joint project of the US, Europe, and Japan, with the sensitivity and angular resolution to see galaxies forming in the early universe and stars forming nearby.

Some of the new technologies behind these great successes are wavefront sensing and control (to achieve sharp focus despite telescope errors or atmospheric turbulence), deployable optics, ultralight mirrors with a variety of fabrication methods and materials, extraordinary semiconductor designs and purity to enable high sensitivity detectors, cryogenic coolers, superconducting detectors and readout circuits, and fantastically complex electronic circuits and correlators to enable the ALMA to combine the signals from all its dish antennas. In addition, atom interferometry is being mastered for practical purposes and may enable extreme sensitivity for gravitational wave detection. So far, Moore’s law for telescopes has not reached its natural limits, although progress is a little slower than for transistors.

And for exploring the Solar System, technological advances continue as well. NASA’s Mars Science Lander, christened “Curiosity”, is scheduled to land on August 6 (UT), 2012. As large as a Volkswagen, it carries instruments for chemical and geological analysis, with a strong interest in whether Mars is or was alive. ESA has just selected the Jupiter Icy moons Explorer (JUICE) mission, scheduled to arrive at Jupiter in 2030 with the goal of studying its Galilean moons as potential habitats for life. ESA has already announced Solar Orbiter and Euclid as the first two missions selected for its Cosmic Vision 2015-2025 plan in October last year. The EUCLID will measure the history of the Dark Energy and as a side benefit can find exoplanets through the microlensing effect.

Suggested reading:

1. The Very First Light, paperback, by John Mather and John Boslough

2. ESA’s Cosmic Vision, http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=46510

3. Astro 2010 Decadal Survey, (US), http://sites.nationalacademies.org/bpa/BPA_049810

4. ALMA, http://www.almascience.org/

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