Was sind „Deep Fields“ und was nützen sie uns?

Die extrem lange belichteten Fotos von Himmelsarealen heißen im Jargon Deep Fields (dt. wörtlich: ‚tiefe Felder‘), weil durch die lange Belichtungszeit extrem weit entfernte und dunkle Objekte – in der Regel Galaxien – auf dem Foto zum Vorschein kommen. Gelegentlich liest man den deutschen Begriff „Tiefenfeldbeobachtungen“ als Übersetzung von Deep Dields oder Deep-Field-Observations.

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Das Hubble-Ultra-Deep-Field. Bild: wikipedia

Technische Finessen

Das Himmelsfeld, das mit den Teleskopen fotografiert wird, ist typischerweise so groß, wie die Fläche des Vollmondes (etwa Bruchteile von bis einige Quadratgrad). Das Areal muss gut ausgewählt werden. So dürfen z.B. keine hellen Sterne im Vordergrund (engl. foreground stars) stören, weil das zur Überbelichtung führen würde. Der ebenfalls strahlende Hintergrund (engl. background) muss gut bekannt sein, damit der Astronom die Leuchtkraft der ihn interessierenden Quelle richtig einordnet. Typischerweise wird eine astronomische Deep-Field-Quelle erst interessant, wenn die Belichtungszeit einige Tage überschreitet. Man kann jedoch nicht ununterbrochen sein Teleskop so lange auf die Quelle richten. Deshalb werden in einem gewissen Zeitabstand Einzelaufnahmen vom immer wieder gleichen Himmelsfeld gemacht, die hinterher mittels Computersoftware zu einem einzigen „Deep Field“ kombiniert werden. Dabei betragen die Einzelbelichtungszeiten nur wenige Stunden.

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Das Hubble-Deep-Field-North. Bild: wikipedia

HDF-N: Die Mutter aller deep fields

Die Deep-Field-Beobachtungen sind ein sehr modernes und aktives Feld der Astronomie und werden in allen Wellenlängenbereichen der elektromagnetischen Strahlung betrieben. Begonnen hat es im Optischen mit dem Weltraumteleskop Hubble. Im Januar 1996 wurde das Ergebnis von zehn aufeinander folgenden Beobachtungsnächten (vom 18. bis 28. Dezember 1995) präsentiert: das „Hubble Deep Field – North“, kurz HDF-N. Dieses HDF-N besteht aus 276 Einzelbildern, die im Großen Wagen (ziemlich genauer oberhalb des Punktes, wo die Deichsel an den Wagen angreift) aufgenommen wurden. Somit erklärt sich das Attribut North, weil es sich um ein Deep Field am Nordhimmel handelt. Diese Bilder wurden zu einem einzigen Deep Field zusammengefügt. Das Schöne an dem Bild ist, dass die Tiefe des Alls in Echtfarben abgebildet wird, so wie sie sich unserem Auge darstellen würde, wenn wir so lange belichten und so scharf gucken könnten.

Und was sehen wir?

Das All ist bunt! Keine tiefe Schwärze, sondern ein farbfrohes Gewimmel von Galaxien in den unterschiedlichsten Entwicklungszuständen breitet sich vor dem faszinierten Betrachter aus! Das HDF-N enthält (gemäß Auswahlkriterium) kaum Vordergrundsterne, sondern nur Galaxien. Ihre Farben verraten etwas über ihre Natur und Entfernung, denn aufgrund der kosmologischen Rotverschiebung rötet und verdunkelt sich die Strahlung mit zunehmender Entfernung wegen der Expansion des Universums.
Der Informationsgehalt von Deep Fields ist für Astronomen von unschätzbarem Wert, weil sie aus der Analyse der Einzelspektren einer jeden Quelle im Bild sich ein Bild vom Kosmos in 3D machen können. So folgt (mit etwas Glück und viel Können) für jede Galaxie die Leuchtkraft (Aktivität), Zusammensetzung (Metallizität), Morphologie (Hubble-Typ), Sternentstehungsrate etc. in unterschiedlichen Epochen, also Entfernungen. Die Astronomen betreiben mit diesen Daten Kosmologie und erforschen die Strukturbildung im Universum. Eine Schlüsselfrage lautet: Wie sind Galaxien überhaupt entstanden?

Harte Strahlung verrät Lochwachstum

Eine brisante Forschungsfrage, die mit Deep Fields untersucht wird, ist die Entstehung und Entwicklung von supermassereichen Schwarzen Löchern (SMBHs), von denen es mindestens ein Exemplar im Zentrum einer (fast) jeden Galaxie gibt. In der Nähe Schwarzer Löcher geht es turbulent und hochenergetisch zu. Deshalb nutzen die Astronomen hier Strahlung mit sehr hoher Energie, nämlich Röntgenstrahlung (einige wenige bis einige zehn keV).
Das Foto unten zeigt ein Deep Field, gewonnen aus Röntgenstrahlung, die mit dem europäischen Röntgenteleskop XMM-Newton eine Woche lang aufgesammelt wurde. Damit wir es betrachten können, muss jeder ‚Röntgenfarbe‘ eine der Grundfarben zugeordnet werden – sonst wäre das Foto für uns unsichtbar! Es ist in der Röntgenastronomie weit verbreitet, den Energiebereich der Strahlung von 0.5-2 keV rot, von 2-4.5 keV grün und von 4.5-10 keV blau darzustellen. Das Foto ist das so genannte Lockman Hole X-ray Deep Field, ein Deep Field im Röntgenbereich, das im Himmelsfeld des Lockman Hole aufgenommen wurde. Das Lockman Hole zeichnet sich durch besondere Transparenz aus, weil das intergalaktische Gas in dieser Blickrichtung dünn verteilt ist (deshalb hole, dt. ‚Loch‘). Astrophysiker beschreiben das so, dass die Säulendichte von neutralem Wasserstoff (HI) im Lockman Hole besonders niedrig ist, NH ~ 5.7 × 1017 cm-2. Diese Entdeckung hat der Astronom Felix Lockman 1986 gemacht.

lockman hole

Das „Lockman Hole“. Bild: esa

Verdanken Menschen ihre Existenz Schwarzen Löchern?

Die bunten Quellen sind vor allem Aktive Galaktische Kerne (AGN), etwa hundert Stück, deren extreme Leuchtkraft von zentralen, supermassiven Schwarzen Löchern (Supermassive Black Holes – SMBH) gespeist wird. Dadurch, dass die AGN unterschiedliche Entfernungen haben und Rotverschiebungen bis zu z ~ 4 erreichen, sehen wir hier SMBHs in ganz unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Wir blicken daher etwa 12 Mrd. Jahre in die Vergangenheit und sehen den frühen Kosmos, in dem es weder Erde, noch unsere Sonne gab! Röntgen-Deep-Fields verraten somit etwas über das Lochwachstum (engl. black hole growth) und den Entwicklungszusammenhang zwischen Galaxie und zentralem Loch. Eine aktuell diskutierte Frage ist z.B. was zuerst da war: die Galaxie oder das Loch? Diese Frage kursiert auch als Huhn-Ei-Problem (engl. hen-egg problem), weil hier genauso wenig klar ist, wer zuerst da war. Klar ist: es handelt sich um einen ganz gravierenden Fall von Lochfraß.

Ambitionierte Großprojekte

Deep Fields helfen diese kosmologischen Fragen der Strukturbildung zu lösen. Astronomen versuchen dabei sämtliche Möglichkeiten auszuschöpfen und bündeln daher sowohl ihre technischen, als auch ihre finanziellen Ressourcen. In modernen, internationalen Großprojekten findet eine weltumspannende Zusammenarbeit statt. Astronomen knöpfen sich ein ausgewähltes Himmelsfeld vor und blicken, salopp gesagt, mit allem darauf, was sie haben! Eines dieser Projekte ist COSMOS, bei dem die Weltraumteleskope XMM und Chandra (beide Röntgen), Hubble (optisch), Spitzer (Infrarot) und GALEX (UV, geplant) sowie verschiedene, erdgebundene Teleskope Beobachtungsdaten von einem zwei Quadratgrad großen Himmelsfeld sammeln. Die Datenmenge ist immens, so befinden sich z.B. zwei Millionen Galaxien im Deep Field. Der erste Schwung der Datenflut wird zurzeit analysiert und interpretiert.

Das war also eine kleine Einführung in die Hintergründe der „Deep Fields“. Über dieses Thema gibt es so viel zu schreiben… Vielleicht hänge ich zu einem späteren Zeitpunkt nochmal was ran.

Über stellariumblog

Stellariumblog ist ein Info-und Newslog. Ich versuche, die oftmals komplizierte und unübersichtliche Fülle an Informationen und Wissen verständlich zu erklären. Mein Ziel ist es, mit diesem Blog so viele Menschen wie möglich von der Astronomie zu begeistern. Natürlich versuche ich, täglich die wichtigsten News aus den Bereichen Astronomie, Astrophysik und vergleichbaren Wissenschaften zu bloggen, ich bin allerdings Berufstätig und habe leider nicht jeden Tag ein bis zwei Stunden Zeit – seid also bitte etwas nachsichtig falls ich nicht immer alles als erster poste ;) Ich freue mich immer über positive Bewertungen, aber auch über konstruktive Kritik sowie Vorschläge und/oder Hinweise auf mögliche Fehler (ich bin auch nur ein Mensch). Ansonsten wünsche ich euch viel Spaß in meinem Blog.
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