SICHT: Winziges ganz gross

Sehen, was mit blossem Auge unsichtbar ist: Dieser Wunsch bewegt den Menschen schon seit grauer Vorzeit. Hier ein kurzer Abriss über die Geräte, die nach und nach entwickelt wurden, um das unendlich Kleine oder unendlich weit Entfernte zu betrachten.

Die Mutter aller optischen Instrumente ist die Lupe. Es handelt sich dabei um eine Linse aus Glas oder einem anderen transparenten Material mit hoher Brechkraft. Die älteste Lupe stammt aus dem Jahre 700 v. Chr. und wurde an der archäologischen Fundstätte von Ninive in Kurdistan entdeckt. Ihre Verwendung bleibt allerdings rätselhaft. 200 Jahre später erwähnt Aristophanes «Brennkugeln» aus Bergkristall oder Smaragd. Seneca beobachtet, dass Objekte grösser und deutlicher sichtbar werden, wenn man sie durch eine mit Wasser gefüllte Kugel betrachtet. Plinius erwähnt den Gebrauch von gläsernen Linsen zum Feueranzünden. Und der kurzsichtige Nero soll sich die Gladiatorenkämpfe durch eine Smaragdlinse angesehen haben.
Konkret wissenschaftlich genutzt wurden Linsen erstmals im 17. Jahrhundert. Damals steuerte die Wissenschaft auf die mikroskopische Forschung zu, deren Ursprünge nicht genau zugeordnet werden können. Mehrere Mikroskopmodelle entstanden zur gleichen Zeit. Ihnen allen gemeinsam war eine äusserst mittelmässige Optik.
Das erste zusammengesetzte Mikroskop kam gegen 1650 auf. Es war mit mehreren bikonvexen Linsen ausgestattet. Doch die meisten Wissenschaftler lehnten es ab und kehrten zum Mikroskop mit einfacher Linse zurück. Dort waren die Vergrösserungen zwar geringer, aber die Bildschärfe und -qualität deutlich besser.

Die ersten bahnbrechenden Entdeckungen
Das 19. Jahrhundert kennzeichnet einen Wendepunkt in der Geschichte des Mikroskops. Dank seiner Hilfe entdeckten Wissenschaftler, wie sich Zellen fortpflanzen, welche Rolle der Zellkern spielt, wie die Zellteilung aussieht und dass es ein Protoplasma gibt. Es entstand eine neue Disziplin: Die Zellpathologie. Parallel dazu machten die Bakteriologie und Parasitologie grosse Fortschritte.
Die Begeisterung für diese neuen Entdeckungen schuf einen neuen Bedarf. Die Konstrukteure perfektionierten daher ihre inzwischen industriell gefertigten Instrumente. Das optische System wurde weiter verbessert, aber Objekte, die kleiner waren als die maximale Auflösung des stärksten Objektivs, blieben unter dem optischen Mikroskop weiterhin unsichtbar.

Das Zeitalter der Elektronik
In den 50er-Jahren des 19. Jahrhunderts kamen Geräte auf den Markt, welche die Welt des Mikroskopierens revolutionierten: Elektronenmikroskope. Diese zu wissenschaftlichen Zwecken bestimmten Geräte eröffneten der Mikrobiologie ganz neue Perspektiven. Dank einiger deutlicher Verbesserungen konnten damit auch lebende Organismen betrachtet werden – mit einer fantastischen, bis zu 30’000-fachen Vergrösserung.
Heute gibt es zwei grosse Kategorien von Elektronenmikroskopen. Die eine Sorte bündelt elektromagnetische Strahlungen, so genannte Photonen, deren Spektrum sich vom niederen Infrarotbereich bis zu den Gammastrahlen erstreckt. Die andere Kategorie bündelt korpuskuläre Strahlen von Elektronen bis hin zu schwereren Teilchen wie Protonen oder bestimmten Ionen, denen die moderne Physik Wellen zuordnet.

Den Sternen näher kommen
So sehr die Betrachtung des unendlich Kleinen die Naturwissenschaft begeistert, so sehr fasziniert Astronomen das, was in unendlich weiter Ferne liegt. Um die Himmelskuppel betrachten zu können, entwickelte der Niederländer Hans Lippershey um 1608 ein astronomisches Fernrohr, das ein Jahr später von dem italienischen Astronomen Galilei vorgestellt wurde. Dieser Vorläufer des Teleskops revolutionierte die Astronomie: Mit seiner Hilfe stellte man fest, dass sich Planeten darin von Sternen unterschieden, dass sie sich bewegten und kugelförmig waren, so auch die Erde. Im Jahre 1610 entdeckte Galilei die vier wichtigsten Jupitermonde. An Hand seiner Beobachtungen konnte er auch mit Sicherheit sagen, dass sich die Erde wie alle anderen Planeten um die Sonne dreht. - Für die Kirche eine vollkommen unzulässige Entdeckung, da ihrer Vorstellung nach die Erde den Mittelpunkt des Universums bildete. Galilei wurde von der Inquisition verurteilt. Er rettete seine Haut, indem er seine Lehre widerrief.

Die erste technische Grundformel für ein Teleskop wurde 1663 vom schottischen Mathematiker James Gregory vorgestellt. Der britische Mathematiker und Physiker Isaac Newton konstruierte 1671 eine erste Version.

Im Jahre 1675 gründete John Flamsteed das Observatorium in Greenwich. Er perfektionierte die Instrumente und Beobachtungsmethoden und verfasste einen posthum veröffentlichten Katalog, in dem die Koordinaten von fast 3000 Sternen aufgelistet sind.

Im Jahre 1781 entdeckte Sir William Herschel den Uranus und sechs Jahre später zwei seiner Monde sowie zwei Saturnmonde. Wir verdanken ihm ausserdem die Entdeckung, dass sich unser Sonnensystem im Weltraum bewegt.

Von 1842 bis 1845 konstruierte Williams Parsons das grösste Teleskop des 19. Jahrhunderts: das Leviathan of Parsonstown.

Noch ein weiteres riesiges Pionierteleskop ging in die Geschichte ein: Das Teleskop im Observatorium von Mont Wilson in Kalifornien, mit dem der amerikanische Astronom Edwin Hubble in den 20er-Jahren seine Forschung betrieb. Wir verdanken ihm unter anderem die Erkenntnis, dass die meisten der undeutlichen Nebelerscheinungen am Himmel andere Galaxien sind, die sich jenseits der Milchstrasse befinden.

Ab 1936 konnten die Astronomen mit ihrer Entdeckung des Weltraums noch weiter vorstossen. Sie hatten dies einem neuen, revolutionären optischen Instrument zu verdanken: dem von Grote Reber erfundenen Radioteleskop.

Immer weiter entfernt
Seit langem träumten die Astronomen davon, ein Teleskop oberhalb der Wolkendecke zu platzieren, um eine wirklich klare Sicht auf den Kosmos zu haben. Dieser Traum ging mit dem Raumteleskop Hubble in Erfüllung, das am 24. April 1990 in die Umlaufbahn startete. In ca. 600 km Höhe beschreibt es alle 100 Minuten einen vollständigen Kreis um die Erde.
Die Besonderheit von Hubble: Es ist ein Reflektorteleskop mit zwei Spiegeln. Der Hauptspiegel hat einen Durchmesser von ca. 2,4 m und ist gekoppelt mit verschiedenen Spektrometern sowie mit drei Kameras: einer mit engem Winkel für schwach leuchtende Objekte, einer Weitwinkel- Kamera für Planetenaufnahmen sowie einer für Infrarotbilder.

Die Geburt der Sterne
Die einzigartigen Bilder, die das Hubble- Teleskop vom Beginn unseres Universums produziert, revolutionieren unsere Sichtweise des Weltraums. Hubble lieferte uns Bilder von entstehenden Sternen oder Planetensystemen und erforschte den Weltraum gründlicher als jedes andere Teleskop zuvor. Dank der Aufnahmen des Hubble Deep Field, die entstanden, indem das Teleskop über 14 Tage lang auf einen kleinen Ausschnitt des Universums gerichtet blieb, wurden einige der jüngsten Sterne und Galaxien aufgespürt, die man bisher gesehen hatte. Dies trug unter anderem zu der Erkenntnis bei, dass sich das Universum weiter ausdehnt und beschleunigt. Weiterhin wurde entdeckt, dass sich inmitten der Galaxien schwarze Löcher befanden. Auch Kollisionen von Galaxien wurden fotografiert, und es wurde der Beweis erbracht, dass Planeten auch um andere Sterne kreisen als um die Sonne.

Nach 17 Jahren guter und treuer Dienste und mehreren Wartungsmissionen, mit denen die Leistung von Hubble auf Vordermann gebracht wurde, kommt das erste Teleskop in der Erdumlaufbahn allmählich in die Jahre. Die NASA plant die nächste Entsendung eines Spaceshuttles für frühestens 2008. Dann soll das Teleskop noch einmal repariert werden, damit es weiter funktioniert. Gleichzeitig wird aber schon seit Jahren an Nachfolgemodellen gearbeitet.

Am 25. August 2003 wurde so das grösste Infrarot-Raumteleskop in die Umlaufbahn gebracht. Das so genannte «Spitzer» macht die Reihe der grossen Raumteleskope der NASA komplett, zu dem neben Hubble auch noch Chandra und Compton (seit 2000 nicht mehr in der Umlaufbahn) gehören. Es besitzt die aussergewöhnliche Fähigkeit, auch weit entfernte Himmelskörper dank ihrer Infrarotstrahlung aufzuspüren. Es war unverzichtbar, diese Technologie direkt im Weltraum einzusetzen, da die Erdatmosphäre verhindert, dass Infrarotstrahlen bis zu den Teleskopen am Boden vordringen. Zuvor starteten die beiden Satelliten IRAS und ISO, mit deren Hilfe ebenfalls die Entstehung von Sternen untersucht wurde. Bei der Neubildung von Sternen liegen diese in einer Art Wolke, die sie praktisch unsichtbar macht. Allerdings entsenden sie Infrarotstrahlen, mit deren Hilfe sich ihre Position bestimmen lässt.

Die Teleskope der Zukunft
Zu den Nachfolgern von Hubble gehört auch das James Webb Space Telescope, das 2013 starten soll. Mit einem Durchmesser von 6,5 m ist der Primärspiegel des JWST drei Mal so gross wie der von Hubble (2,4 m), aber wesentlich leichter. Dieses Teleskop wird in ca. 1,5 Mio. km über der Erde positioniert, einer Entfernung, die jegliche Art von Wartungsarbeiten verunmöglicht. £Das in Chile auf dem Gipfel des Cerro Paranal in 2600 m Höhe positionierte Very Large Telescope (VLT) besteht wiederum aus vier Teleskopen, von denen jedes einen Spiegel von 8,2 m Durchmesser besitzt. Es wurde im Jahre 2002 mit einem optischen System ausgestattet, mit dessen Hilfe es doppelt so genau arbeiten kann wie das Raumteleskop Hubble. Neben der Entstehung und Entwicklung von Galaxien kann es damit Details im Inneren der Galaxien beobachten, und somit nach direkten Beweisen für die mögliche Existenz von Schwarzen Löchern suchen.

Glossar

Die Lupe besteht aus einer Konvexlinse, mit der man ein vergrössertes Bild eines Objekts erhält. Sie ist die einfachste Form des optischen Mikroskops.

Das Mikroskop ermöglicht wie die Lupe die Untersuchung von Objekten oder Details, die mit blossem Auge nicht zu erkennen sind, indem es sie vergrössert. Bei einem einfachen Mikroskop wird eine einzelne Linse als sehr starke Lupe verwendet. Diese wird einerseits nahe am Objekt und andererseits nah am Auge des Betrachters platziert, um einen maximalen Lichteinfall zu erzielen. Bei zusammengesetzten Mikroskopen, so genannten Okularmikroskopen, wird die Lupe mit einer zweiten Linse kombiniert, die die Lichtstrahlen sammelt. Diese beiden Linsen bilden zusammen das Okular. Lange Zeit waren sie in der Qualität schlechter als einfache Mikroskope, weshalb diese von Wissenschaftlern auch lange bevorzugt wurden.

Das Teleskop (von griech. tele = fern und skopein = betrachten, sehen) ist ein optisches Instrument, das die Vergrösserung von beobachteten Objekten und vor allem die Verstärkung ihrer Leuchtkraft ermöglicht. Instrumente zur astronomischen Beobachtung bestehen in der Regel aus zwei komplementären optischen Systemen: dem Objektiv, einem Primärspiegel, und dem Okular, einer perfektionierten Lupe. Im Gegensatz zu unseren herkömmlichen Spiegeln befindet sich die reflektierende Fläche vor dem Glas, damit das Licht nicht erst durch das Glas scheint. Dieses dient ausschliesslich als Träger für eine nur wenige Mikrometer dünne Aluminiumschicht. Das Licht wird im Gegensatz zum einfachen astronomischen Fernrohr reflektiert. Seine Aufgabe als Leuchtkraftverstärker, die ebenso wichtig, wenn nicht sogar wichtiger als die der optischen Vergrösserung ist, erlaubt es, punktuelle Himmelskörper zu erkennen, die mit blossem Auge nur schwer oder gar nicht sichtbar wären.