Ein Platz an der Sonne


Von Thomas de Padova

Der Weg hinauf zum Pico del Teide, dem mit 3718 Metern höchsten Berg Spaniens, führt durch dichte Wolken. Kanarische Kiefern säumen die Strasse. An ihren langen Nadeln kondensiert Feuchtigkeit und fällt in Tröpfchen zu Boden. „Im Lauf des Tages steigt die Wolkendecke schon mal bis auf 1800 Meter“, sagt Dirk Soltau. Darüber ist der Himmel strahlend blau.

Wie die meisten Deutschen fliegt Soltau der Sonne wegen nach Teneriffa, seit nunmehr 30 Jahren, etwa fünf Mal pro Jahr. „Aber wenn ich aus Teneriffa zurückfliege, bin ich noch blasser als vorher“, lacht der 59-Jährige. Statt an einem der Strände im sonnigen Süden der Insel zu liegen, versteckt er sich tagaus, tagein im dunklen Turm eines astronomischen Observatoriums. Die Sonne ist sein Forschungsobjekt, der Stern, von dem wir leben, der einzige im Kosmos, der der Erde so nah ist, dass er als Wissenschaftler in sein Innerstes hineinschauen kann.

Unter Astronomen ist Teneriffa ähnlich beliebt wie unter Touristen. In 2400 Metern Höhe ist die Luft klar und trocken, hier schiessen Teleskope wie Pilze aus dem Vulkanboden. Die weissen Kuppeln und Türme glitzern auf einer Bergkuppe. Sie sind mit Titandioxidfarbe angestrichen, die die Wärme ebenso zurückstrahlt wie der rundum verstreute weisse Kies.

Auch im Innern der Gebäude ist jede Temperaturschwankung unerwünscht. Soltau steht im langärmligen Khakihemd und einer weiten Hose vor einem kleinen Spiegel. In fahlem Licht dreht er an einer Mikrometerschraube und verfolgt aufmerksam, wie sich das Abbild der Sonne währenddessen verändert. Seit Stunden justiert der Forscher vom Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik (KIS) in Freiburg die Optik des neuen Sonnenteleskops „Gregor“. Es entsteht in Kooperation des KIS mit dem Astrophysikalischen Institut Potsdam, dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau und der Universität Göttingen und soll gegen Ende des Jahres in Betrieb gehen.

Auf dem Dach des Turmteleskops fängt derzeit ein provisorischer Hauptspiegel von einem Meter Durchmesser die Sonnenstrahlen ein. Er wird im September durch einen 1,5-Meter-Spiegel ersetzt. Damit möchten Soltau und seine Kollegen noch genauer in die verschiedenen Schichten der Sonnenoberfläche hineinschauen. Fokus ihrer Forschung ist das solare Magnetfeld, ohne das sich die Sonnenflecken ebenso wenig erklären lassen wie plötzliche Strahlungsausbrüche der Sonne, die das Weltraumwetter in der Nähe der Erde prägen.

„Hier oben im Gebirge haben wir etwa 30 Prozent der Atmosphäre unter uns“, sagt Soltau. Das Sonnenlicht muss aber immer noch einen Teil der turbulenten Erdatmosphäre durchqueren. Dabei wird es an Luftschichten unterschiedlicher Temperatur gebeugt. Wegen dieser Luftunruhe funkeln die Sterne. Von einer Raumstation aus betrachtet, stünden sie völlig still. Soltaus Ziel ist es, die Sicht auf die Sonne so weit zu verbessern, als befände sich das Teleskop im Weltraum. Und dank einer ausgefeilten Technik, der „adaptiven Optik“, gelingt ihm das schon während des Probetriebs nahezu:

Die von der Sonne her kommende, fast ebene Lichtwelle wird zwar durch die Atmosphäre verformt. „Aber wir messen die Lichtwellenfront mehr als 1000 Mal in der Sekunde.“ Der dafür installierte Wellenfrontsensor registriert, in welcher Weise das Zittern der Luft das eintreffende Sonnenlicht verzerrt. Die Daten gelangen zu einem Rechner und von dort aus zu einem elektronisch steuerbaren Korrekturspiegel, einem kleinen Wunderwerk der Technik. Er verformt sich unablässig. Und zwar so, dass potentielle Abbildungsfehler in jedem Moment ausgeglichen werden. Die dauernde Anpassung der Optik an die augenblickliche Luftunruhe ist zur Schlüsseltechnik erdgebundener Teleskope avanciert. Soltaus Aufgabe ist es, „Gregor“ damit auszustatten. Auf diese Weise soll hier das weltweit leistungsfähigste Sonnenobservatorium entstehen. Wenn der neue Hauptspiegel auf dem Dach des 17 Meter hohen Teleskopturms installiert worden ist, kann „Gregor“ das imposante Nachbarinstrument ablösen, das „Vakuum-Turmteleskop“, mit dem Soltau und seine Kollegen die Sonne über 20 Jahre lang erforscht haben.

Die Energie, die die Sonne in ihrem heissen Innern bei unvorstellbaren 15 Millionen Grad Celsius durch Fusionsprozesse erzeugt, gelangt über verschiedene Umwandlungsprozesse an ihre Oberfläche. Dort beträgt die Temperatur nur noch etwa 5500 Grad Celsius. Ein extremes Temperaturgefälle. Es kommt unter anderem dadurch zustande, dass, ähnlich wie in einem Kochtopf, heisses Plasma aus dem Sonneninneren aufsteigt, an ihrer Oberfläche abkühlt und wieder nach unten sinkt.

Zu den auffälligsten Begleiterscheinungen dieser Konvektion gehören die Sonnenflecken. Dabei handelt es sich um relativ kühle Gebiete, gut 1500 Grad kälter als ihre Umgebung. Im Innern dieser Flecken steigt nur wenig heisses Plasma nach oben. Der Energiefluss wird durch Magnetfelder gebremst, die durch Ströme elektrisch geladener Teilchen in der Konvektionszone entstehen.

Oft hätten die Sonnenflecken Ausdehnungen von 30.000 Kilometern und mehr, sagt Soltau. Damit sind sie um ein Vielfaches grösser als unsere Erde. Wie und warum die Sonnenflecken aus kleinen, dunklen Poren zu derart riesigen Gebilden heranwachsen, soll „Gregor“ ans Licht bringen. Das Magnetfeld der Sonne ist etwa 20 Mal stärker als das Magnetfeld der Erde, in den Sonnenflecken dagegen mehrere Tausend Mal grösser. Auf zum Teil noch ungeklärte Weise verdrillen sich die Feldlinien, das Magnetfeld wird weiträumig verstärkt.

Die Zahl der Sonnenflecken bleibt nicht gleich. Sie nimmt im Rhythmus von elf Jahren ab und wieder zu. Nachdem die Sonne 2008 und 2009 über weite Strecken frei von Flecken war, zeigte sich im Dezember erstmals wieder eine grössere Fleckengruppe. Seither steigt die Aktivität der Sonne wieder. Obschon die Sonnenflecken die Umwälzungen des Plasmas mancherorts unterdrücken, kommt es dafür an anderen Stellen zu heftigen Eruptionen: Die Sonne schleudert Fackeln elektrisch geladener Teilchen ins All, die auch auf der Erde anbranden. Sie können Satelliten beschädigen, den Funkverkehr stören und in seltenen Fällen ganze Stromnetze lahmlegen. Ein Ziel der Forscher ist es, das brodelnde Sonnenfeuer so weit zu verstehen, um Sonnenstürme und Weltraumwetter vorhersagen zu können.

Als er sechs Jahre alt war, wollte Soltau Feuerwehrmann werden, mit Zehn auf eine Wetterstation. Im Nachbarhaus aber wohnte ein Astronom, der den Sonnenfleckenzyklus studierte. Der Professor schenkte dem Jungen das erste Fernrohr.

Die Saat ging auf. Soltau begab sich auf Entdeckungsreise. Mit dem neuen Instrument eignete er sich jene Fähigkeiten an, die im Zentrum der Wissenschaft stehen: die Erprobung des eigenen Fingerspitzengefühls, die Orientierung in einer unbekannten Umgebung, die Freude am Erkennen von Mustern und Symmetrien und an einer genauen Beobachtung. „Und ich sah, dass man von der Astronomie leben und sogar eine kleine Villa bauen kann.“

1979 schickte man ihn nach Teneriffa, wo er ein Jahr lang die astronomischen Beobachtungsbedingungen auskundschaftete. Sie waren so gut, dass mehrere deutsche Forschungsinstitute beschlossen, am Fuss des Teide ein Sonnenteleskop zu bauen. „Damals gab es hier oben noch keine anderen Gebäude“, erzählt Soltau. Entsprechend grosszügig musste das Observatorium ausgelegt werden: mit Wohnräumen für sechs Forscher, einer mechanischen Werkstatt und vielem mehr.

Um das Abbild der Sonne möglichst stark zu vergrössern, entschied man sich für einen Hauptspiegel mit 46 Metern Brennweite. So entstand das „Vakuum-Turmteleskop“: 35 Meter hoch und weitere 15 Meter tief in die Lavaerde hinein reichend. Für das Instrument war Soltau verantwortlich. Das eingefangene Sonnenlicht sollte durch ein evakuiertes Rohr laufen, da Turbulenzen der Luft im Teleskop sonst zu Bildverzerrungen führen würden.

Vom Nachbarteleskop „Gregor“ gelangt man über einen unterirdischen Tunnel dorthin, ziemlich praktisch für den Turmherrn. Drüben angekommen, fährt ein Aufzug die 35 Meter hinauf zur Kuppel, unter der das imposante Vakuumrohr ansetzt. „Bei der Montage des Teleskops haben wir die dicken Schrauben für die Rohrverbindungen in Körben nach oben getragen.“ Seither ist Soltau an die 150 Mal nach Teneriffa gereist. Manchmal ist er ganz alleine hier. Auch im Winter, wenn Stürme über die Vulkankrater des Nationalparks fegen, das Teleskop eingeschneit ist und dicke Eisplatten von seinen Aussenwänden zu Boden krachen. Die meiste Zeit sitzt er vor einem Computermonitor und betrachtet Ausschnitte der Sonnenoberfläche bei verschiedenen Lichtwellenlängen. Der Forscher möchte herausfinden, warum das Magnetfeld in den Sonnenflecken so viel stärker als im Umfeld. „Meine persönliche Belohnung ist ein knackigscharfes Bild der Sonne.“

Jetzt hebt er vorsichtig die Dachluke zur Kuppel und tritt ins grelle Tageslicht. „Passen Sie auf, man wird geblendet!“ Von hier oben eröffnet sich ein einzigartiger Blick über die Vulkanlandschaft. Zuerst schaut Soltau hinüber zum 15 Kilometer entfernten Pico del Teide, der einst aus dem Kessel eines noch grösseren Vulkans emporgeschossen ist. „Das Teleskop ist gut genug, um drüben auf dem Gipfel ein Ein-Euro-Stück von einem Zwei-Euro-Stück zu unterscheiden.“ Auf der fernen Sonne kann man immerhin noch Strukturen von einigen Hundert Kilometern Ausdehnung erkennen. Mit „Gregor“ wollen die Forscher die räumliche Auflösung bis auf 50 Kilometer verbessern. „Nur wegen der adaptiven Optik kommen wir bei dem neuen Sonnenteleskop ohne Vakuum aus.“

Wie bei jedem neuen Teleskop gibt es auch bei „Gregor“ Anlaufschwierigkeiten. Der auf die Sonne gerichtete Hauptspiegel muss ständig gekühlt werden. Das hat mit dem Probespiegel aus Siliziumkarbid bestens funktioniert. Doch trotz intensiver Bemühungen war es nicht möglich, aus demselben Material, das die Wärme besonders gut ableitet, einen grösseren 1,5-Meter-Rohling anzufertigen. Bei der Herstellung des neuartigen Spiegelträgers traten Risse auf. Stattdessen müsse man nun auf die bei Teleskopen bereits vielfach erprobte Keramik Zerodur ausweichen, erklärt Projektleiter Reiner Volkmer. Zerodur ist ein schlechterer Wärmeleiter. „Aber bestenfalls bemerken wir keine Unterschiede. Ansonsten müssen wir sie über die adaptive Optik ausgleichen.“

Neben „Gregor“ sind am Rand des Teide-Nationalparks noch andere Teleskope auf die Sonne gerichtet. „Da hinten zum Beispiel sitzen die Amerikaner“, sagt Soltau und zeigt auf ein relativ niedriges weisses Gebäude. „Sie messen die Beben der Sonne.“ Alle fünf Minuten dehnt sich die Sonne ein wenig aus und zieht sich wieder zusammen, ihre Oberfläche hebt und senkt sich dabei um etwa einen Kilometer. Sie vibriert wie eine Glocke. Und ähnlich wie Seismologen mit Hilfe von Erdbebenwellen das Erdinnere erkunden, werfen Helioseismologen über die Analyse dieser Schwingungen einen Blick ins Zentrum der Sonne. Eines der grössten Rätsel birgt allerdings die äussere Hülle der Sonne, ihre Korona. Während die Temperatur an der Sonnenoberfläche bei etwa 5500 Grad Celsius liegt, steigt sie nach aussen hin noch einmal rapide an. Bis zu zwei Millionen Grad heiss ist die Korona. Das Magnetfeld, so vermuten etliche Forscher, könnte auch bei dieser Aufheizung eine wichtige, bislang ungeklärte Rolle spielen.

Soltau hat kaum Kontakte zu den ständig wechselnden Belegschaften der Nachbarteleskope. Er pendelt zwischen zwei Türmen hin und her. Nur in der Abenddämmerung sieht man ihn regelmässig auf der Kuppel. Dann fährt er mit dem Fahrstuhl nach oben. „Ich schaue mir immer noch jeden Abend den Untergang der Sonne an.“ Sie ist nur einer von Abermilliarden Sternen in der Milchstrasse, für Soltau und seine Kollegen jedoch der Modellstern schlechthin. Mit jedem neuen Sonnenaufgang werden sie wieder versuchen, ihr ihre Geheimnisse zu entlocken.