3,2-Gigapixel-Kamera erfasst 500.000 Galaxien in einer einzigen Aufnahme

500.000 Galaxien, vereint auf einem einzigen Bild.

Am 31. Juli veröffentlichte das Rubin-Observatorium in Chile seine ersten wissenschaftlichen Aufnahmen: Ein Deep-Field-Bild des sogenannten COSMOS-Feldes, auf dem sich mehr als 500.000 Galaxien und 50.000 Sterne drängen. Aufgenommen wurde die Szene von der größten Digitalkamera der Welt – ein 3,2 Gigapixel starker und rund 3 Tonnen schwerer Koloss, das größer ist als ein Kleinwagen.

Um die Dimensionen zu verdeutlichen: Eine moderne Smartphone-Kamera löst üblicherweise mit etwa 50 Megapixeln auf. Die Rubin-Kamera bietet das 64-Fache dieser Auflösung. Ein einziges Bild deckt am Himmel eine Fläche ab, die 40 nebeneinander aufgereihten Vollmonden entspricht. Um das Foto in voller Auflösung darzustellen, müsste man mehr als 380 4K-Fernseher zusammenschalten.

Wo Hubble 20 Jahre lang forschte, reicht jetzt ein einziger Scan

Das COSMOS-Feld im Sternbild Sextant gehört zu den bekanntesten Himmelsarealen der Astronomie. Seine Berühmtheit verdankt es einer günstigen Lage: Es liegt weit abseits der Milchstraßenebene, wodurch störende Vordergrundsterne und interstellarer Staub minimal sind. Das Hubble-Weltraumteleskop erforschte diesen Bereich seit 2003 intensiv. Über zwei Jahrzehnte hinweg richteten führende Teleskope weltweit ihre Instrumente auf diese Region – von Radiowellen bis hin zu Röntgenstrahlung.

Das Rubin-Observatorium hat dieses traditionsreiche Areal nun in einem Rutsch neu kartiert: Hunderte Einzelbeobachtungen wurden zu einem tiefen Bild gestapelt, das auf einen Schlag 500.000 Galaxien sichtbar macht.

Abb.: Das vom Rubin-Observatorium aufgenommene Deep-Field-Bild des COSMOS-Feldes. Fast alle dichten Lichtpunkte auf der Aufnahme sind entfernte Galaxien, keine Sterne. Quelle: Rubin Observatory / NOIRLab

Was bedeuten 500.000 Galaxien? Eine typische Galaxie beherbergt Hunderte Milliarden Sterne. Das bedeutet, dass sich hinter jedem noch so kleinen Lichtpunkt auf dieser Aufnahme Hunderte Milliarden Sterne verbergen. Zu sehen sind Spiralarme von Spiralgalaxien, glatte elliptische Galaxien, kollidierende und verschmelzende Galaxiensysteme sowie tiefrote Galaxien aus dem extrem frühen Universum.

Abb.: Nahaufnahmen ausgewählter Galaxien aus dem Bildfeld, darunter Spiral-, Ellipsen- und Verschmelzungsgalaxien. Quelle: Rubin Observatory / NOIRLab

Zum Vergleich: In Bezug auf die reine Tiefe einer Einzelaufnahme bleibt Hubble ungeschlagen – es kann noch schwächere Objekte auflösen. Die Stärke von Rubin liegt in der Breite und Geschwindigkeit. Das Bildfeld ist mehr als hundertmal größer als das der Hauptkamera von Hubble, und das Teleskop wird denselben Himmelsausschnitt immer wieder fotografieren. Während das eine Instrument in die Tiefe gräbt, deckt das andere die Fläche ab – zwei Fähigkeiten, die sich perfekt ergänzen.

Warum baut man eine 3 Tonnen schwere Kamera?

Die Antwort liegt im Namen des Observatoriums. Es ist nach der Astronomin Vera Rubin benannt, die in den 1970er und 1980er Jahren entdeckte, dass sich die Sterne in den Außenbereichen von Galaxien viel zu schnell bewegen. Die sichtbare Masse reichte nicht aus, um sie auf ihren Bahnen zu halten. Ihre Erklärung: Das Universum enthält eine unsichtbare Form von Materie – Dunkle Materie. Heute geht man davon aus, dass Dunkle Materie etwa 85 % der gesamten Materie im Universum ausmacht, obwohl ihre genaue Natur nach wie vor unbekannt ist.

Hinweise auf Dunkle Materie ergeben sich aus Beobachtungen. Um sie jedoch präzise zu vermessen und zu überprüfen, muss man eine enorme Anzahl von Galaxien über lange Zeiträume beobachten. Die Kernaufgabe des Rubin-Observatoriums heißt LSST (Legacy Survey of Space and Time). Über einen Zeitraum von 10 Jahren soll der gesamte sichtbare Südhimmel alle 3 bis 4 Nächte vollständig fotografiert werden – wie ein 10-jähriger Zeitrafferfilm des Kosmos. Die CCD-Sensoren der Kamera werden auf minus 100 Grad Celsius gekühlt, um das Rauschen zu minimieren. Der Frontlinse mit einem Durchmesser von 1,5 Metern stehen 6 verschiedene Farbfilter zur Verfügung. Bei einer Belichtungszeit von ca. 15 Sekunden entstehen in einer klaren Nacht Tausende von Aufnahmen.

Das Instrument montiert auf einem 8,4-Meter-Survey-Teleskop auf dem Cerro Pachón in Nordchile in 2.682 Metern Höhe. Mit rund 300 klaren Nächten pro Jahr und extrem trockener, transparenter Luft gehört dieser Ort zu den besten Beobachtungsstandorten der Erde.

Abb.: Überlagerung der Beobachtungsmuster der LSST-Kamera im COSMOS-Feld. Nur durch wiederholte Aufnahmen desselben Himmelsareals lassen sich zeitliche Veränderungen von Himmelskörpern erkennen. Quelle: Rubin Observatory / NOIRLab

Der Nutzen dieses „Zeitrafferfilms“ geht weit über die Erforschung der Dunklen Materie hinaus:

• Dunkle Energie. Das Universum dehnt sich beschleunigt aus. Welche Kraft treibt diese Expansion an? Antworten könnten in den Positions- und Formveränderungen von Milliarden Galaxien verborgen liegen.
• Asteroiden-Frühwarnung. Während der 10-jährigen Laufzeit sollen etwa 6,2 Millionen Asteroiden entdeckt werden. Ein Großteil der potenziell gefährlichen Objekte mit einem Durchmesser von mehr als 140 Metern soll frühzeitig erfasst werden.
• Transiente Phänomene. Kurzlebige kosmische Ereignisse wie Supernova-Explosionen oder das Zerschreddern von Sternen durch Schwarze Löcher blieben in der Vergangenheit oft unbemerkt.
• Struktur der Milchstraße. Nebenbei wird das Teleskop Milliarden von Sternen in unserer eigenen Galaxie kartieren.

Die aktuelle Veröffentlichung ist erst ein Vorgeschmack. Die EDP2-Daten decken etwa 3.000 Quadratgrad ab – etwa ein Sechstel des sichtbaren Südhimmels. 500.000 Galaxien sind nur der Anfang: Nach 10 Jahren soll der LSST-Katalog rund 20 Milliarden Objekte umfassen.

Astronomie wird zur Datenwissenschaft

Die Datenmengen sind gewaltig: Die Kamera erzeugt jede Nacht etwa 20 Terabyte Rohdaten – was Tausenden von HD-Filmen entspricht. Über 10 Jahre summiert sich dies zu einer Datenbank im Petabyte-Bereich, die die Helligkeitsveränderungen von 20 Milliarden Himmelskörpern festhält.

Diese Datenmenge übersteigt die menschliche Auffassungsgabe bei weitem. Früher werteten Astronomen Fotoplatten oder Einzelbilder manuell aus. Bei 20 TB pro Nacht ist eine menschliche Durchsicht unmöglich. Objektklassifizierung, Anomalieerkennung und Supernova-Warnungen müssen automatisiert über Algorithmen ablaufen. Die tägliche Arbeit von Astronomen verlagert sich zunehmend auf das Trainieren von Modellen und das Design von Datenpipelines. Mit der Freigabe der EDP2-Daten testete das Team die gesamte Verarbeitungskette, um Werkzeuge und Abläufe vor Beginn des Hauptbetriebs zu optimieren.

Für die Öffentlichkeit hat diese Flut von Daten zwei wesentliche Konsequenzen. Erstens erreicht die Asteroiden-Frühwarnung zum Schutz unseres Planeten ein neues Niveau. Zweitens werden die Datensätze nach einer zweijährigen Schutzfrist gemäß der Open-Data-Politik des Observatoriums öffentlich zugänglich gemacht. Jeder Interessierte kann dann von zu Hause aus auf den Katalog mit 20 Milliarden Objekten zugreifen. Astronomische Daten wandeln sich damit von einem proprietären Gut einzelner Institutionen zu einem weltweiten öffentlichen Gut.

20 Jahre voller Hürden vor dem ersten Bild

Der Weg zu diesem Erfolg war steinig. Von den ersten Entwürfen bis zum ersten wissenschaftlichen Bild vergingen mehr als zwei Jahrzehnte. Das Budget verdoppelte sich im Vergleich zu den ursprünglichen Schätzungen, Verzögerungen traten auf und zeitweise stand sogar das Aus des Projekts zur Debatte. Die Aufnahme von 500.000 Galaxien ist das Ergebnis unzähliger Begutachtungen und technischer Meilensteine.

Sie ist auch ein Geschenk an Chile. Am Tag der Veröffentlichung widmete das Rubin-Team die Aufnahme den Bewohnern der Region Coquimbo, die zuvor von schweren Unwettern getroffen worden war. Das Hochplateau der Anden dient der Menschheit seit Jahrzehnten als wichtiges Fenster ins All.

Die 500.000 Galaxien sind erst der Auftakt. In den kommenden 10 Jahren wird die 3-Tonnen-Kamera in jeder klaren Nacht ihren Dienst verrichten und die Veränderungen des Kosmos Bild für Bild festhalten. Die Menschheit ist nun erstmals in der Lage, einen Film des gesamten beobachtbaren Universums zu drehen.

Referenzlinks:

• Rubin Observatory News: Rubin Observatory’s first LSST Camera release
• HN-Diskussion (item?id=49183079)
• SLAC-Pressemitteilung: DOE-NSF Rubin Observatory opens a deep window on a famous cosmic field
• Phys.org-Bericht: Rubin Observatory opens a deep window on a famous cosmic field