Oben und Unten als existenzielle Frage

Wo ist im Weltraum oben und unten? Die Internationale Astronomische Union einigte sich auf einen neuen Referenzrahmen für Richtungsangaben im All. Die TU-Wien leistete dafür einen wichtigen Beitrag.

Wenn Raumfahrzeuge zu fremden Planeten geschickt werden oder wenn die Bewegung der Erde untersucht wird kommt in Zukunft ein Referenzsystem zum Einsatz, an dessen jüngster Realisierung die TU-Wien maßgeblich mitgewirkt hat. Aktuell wurde bei der Generalversammlung der Internationalen Astronomischen Union (IAU) in Wien entschieden, den neuen himmelfesten Referenzrahmen (ICRF3) anzunehmen, um Richtungen im Weltraum noch genauer als bisher angeben zu können. Er basiert auf der präzisen Vermessung von über 4000 extragalaktischen Radioquellen.

Ein Koordinatensystem fürs Universum
So wie man bei der Vermessung von Berggipfeln ein Referenzsystem benötigt (etwa Längen- und Breitengrade der Erde auf Basis des Meeresniveaus), muss auch für Richtungsangaben im Weltraum ein verlässliches Referenzsystem existieren. „Die Fixsterne zu verwenden, die wir am Nachthimmel sehen, ist keine gute Idee“, erklärt Johannes Böhm vom Department für Geodäsie und Geoinformation der TU Wien. „Sie verschieben sich im Lauf der Zeit ein kleines bisschen gegeneinander, womit man alle paar Jahre ein neues Referenzsystem definieren müsste, um die nötige Genauigkeit zu erhalten.“
Anders sieht es jedoch mit extragalaktischen Radioquellen aus: „Wir kennen heute hunderttausende Objekte im Weltraum, die extrem intensive, langwellige Strahlung aussenden“, so Böhm. „Dabei handelt es sich um supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum fremder Galaxien, auch Quasare genannt, die teilweise Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind.“ Diese Strahlungsquellen sehen von der Erde betrachtet praktisch punktförmig aus, und durch ihre gewaltige Entfernung eignen sie sich optimal zum Festlegen eines weltweit gültigen Referenzsystems. Vergleichsweise kleine Verschiebungen zwischen den Quasaren spielen hier keine Rolle mehr.

Verschiedene Radioteleskope miteinander vergleichen
Um die größtmögliche Präzision zu erreichen ist einiges an Aufwand nötig: Es genügt nicht, mit einem Radioteleskop ein Bild aufzunehmen, und daraus die Richtung der Radioquelle abzulesen. Stattdessen werden die Daten unterschiedlicher Radioteleskope miteinander verglichen. „Jede Radioquelle liefert ein Signal mit einem gewissen Rauschen“, erklärt David Mayer, Assistent im Team von Johannes Böhm.
„Wenn man dieses Rauschen gleichzeitig mit zwei verschiedenen Radioteleskopen misst, die idealerweise tausende Kilometer voneinander entfernt sind, dann kann man die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen des Signals am ersten und am zweiten Radioteleskop sehr genau bestimmen. Und daraus wiederum lässt sich dann die Richtung, aus der das Signal kommt, mit extremer Präzision berechnen.“

Leistungsstarke Rechner des Vienna Scientific Cluster
Diese Berechnungen benötigen sehr leistungsstarke Rechner und erfolgen unter anderem am Vienna Scientific Cluster (VSC-3). So wurden Lösungen für den Referenzrahmen ICRF3 von einigen Forschungsgruppen weltweit beigesteuert, neben der TU Wien waren etwa auch das Goddard Space Flight Center der NASA oder das Observatoire de Paris beteiligt. Damit kann die Position der Radioquellen am Sternenhimmel mit einer Genauigkeit von etwa 30 Mikro-Bogensekunden angeben werden und das entspricht ungefähr dem Durchmesser eines Tennisballs auf dem Mond, von der Erde aus gesehen.
Bei der Generalversammlung der Internationalen Astronomischen Union (IAU) in Wien wurde nun entschieden, diese Hochpräzisions-Radioquellenkarte als internationales Referenzsystem zu verwenden. Man wird es beispielsweise nutzen, um die Position von Raumfahrzeugen anzugeben, aber auch für die Überwachung der Erde ist das Referenzsystem wichtig, etwa wenn man die Präzission der Erdrotationsachse oder das Wandern der Pole untersucht.