Ein präziser Tacho für die Astronomie

Mit einer neuen Methode wollen Astronomen künftig Geschwindigkeiten von Sternen und Galaxien tausendmal genauer messen

Spektroskopie mit einem Frequenzkamm
Spektroskopie mit einem Frequenzkamm

Garching - Geschwindigkeitsänderungen von Zentimetern pro Sekunde wollen die Himmelsforscher schon bald messen - über Lichtjahre hinweg. Das neue Verfahren, über das die Forscher jetzt im Fachblatt "Science" berichten, nutzt einen so genannten Frequenzkamm, um extrem genau die Wellenlänge des Lichts zu ermitteln, das die Astronomen auf der Erde von fernen Sternen und Galaxien empfangen.

In einem Frequenzkamm fächern Physiker einen Laserstrahl zu einer Reihe von Spektrallinien auf, deren Wellenlängen sie sehr genau bestimmen können. "Das hängt nur von der Genauigkeit der Atomuhr ab, mit der wir die Schwingungen des Lichts abzählen", erklärt Thomas Udem vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik, der an der Entwicklung des Verfahrens beteiligt ist. Die Astronomen vergleichen dann das Spektrum eines Sterns oder einer Galaxie mit dem Frequenzkamm.

Auf diese Weise können sie den Spektrografen kalibrieren, der das Licht des Objekts auf seine unterschiedlichen Farbbestandteile hin analysiert. Denn selbst die besten Spektrografen besitzen Instabilitäten, wodurch die Forscher bei zwei Messungen stets zwei leicht verschiedene Spektren erhalten - auch wenn sich das Licht des Objekts gar nicht verändert hat. "Da wir genau wissen, wo die Linien des Frequenzkamms liegen, können wir diese Schwankungen aus den Messungen herausrechnen und unsere Messgenauigkeit drastisch erhöhen", so Udem.

Bei ersten Tests des neuen Verfahrens haben Udem und seine Kollegen bereits eine Genauigkeit von neun Metern pro Sekunde erreicht. "Und das mit einem Sonnenteleskop, welches für diesen Zweck gar nicht ausgelegt ist", sagt der Forscher. Außerdem haben die Wissenschaftler bislang nur einen Frequenzkamm mit ein paar Hundert Zähnen verwendet. "Wir können aber mit mehreren Zehntausend messen", so Udem, "daher sind wir sehr zuversichtlich, dass wir mit einem optimalen Aufbau auch Geschwindigkeitsschwankungen von einem Zentimeter pro Sekunde nachweisen können."

Geschwindigkeitsmessungen spielen überall in der Astronomie eine große Rolle - zum Beispiel bei der Suche nach Planeten bei anderen Sternen oder bei der Vermessung der Expansion des Weltalls. Bei einer Messgenauigkeit von einem Zentimeter pro Sekunde könnten die Astronomen endlich auch erdähnliche Planeten bei anderen Sternen aufspüren und untersuchen, ob sich die Expansion des Weltalls mit der Zeit verändert.