Astronomiegeschichte(n): Maarten Schmidt und die Entdeckung der Quasare

Heute vor genau 50 Jahren entdeckte der Astronom Maarten Schmidt die Rotverschiebung des 13,0mag hellen „Sterns“ 3C 273 und spürte damit die leuchtkräftigsten Objekte im Universum auf. Mit diesem Rückblick startet meine neue Blog-Serie über Geschichten der Astronomiegeschichte.

Astronomiegeschichte(n)

Maarten Schmidt und die Entdeckung der Quasare

Ende der 1940er Jahre entdeckten die Astronomen mit ihren Radioteleskopen eine neue Klasse von diskreten Radioquellen, weshalb sie auch Radiosterne genannt wurden. Man vermutete, dass es sich dabei wirklich um nahe Sterne handeln würde, doch zu keinem Radioobjekt schien sich ein optisches Gegenstück zu finden. Auch auf der sog. Massey-Konferenz im März 1951 wurde über ihre Natur diskutiert. Fred Hoyle und Thomas Gold, die zusammen die Steady-State-Theorie entwickelt hatten, hielten es für wahrscheinlicher, dass die Radiostrahlung  extragalaktischen Ursprungs sei. So stellte Gold die Frage in den Raum: „Warum hat noch niemand ein erkennbares optisches Objekt zu diesen sehr nahen Radiosternen gefunden?“ Wie er laut und deutlich argumentierte, sind die Radioquellen „vielleicht sehr, sehr weit entfernt“. Tatsächlich wurden im folgenden Jahrzehnt viele Radiosterne als weit entfernte Galaxien identifiziert. Für eine sichere Identifikation mit einem optisch sichtbaren Objekt braucht es eine möglichst genaue Positionsangabe. Bedeckungen durch den Mond eignen sich besonders gut für die Positionsbestimmung von ekliptiknahen Radioquellen wie z.b. dem Radiostern 3C 273.

Auf diese Idee kam der britische Radioastronom Cyril Hazard. Mit dem neuen 64m-Parkes-Radioteleskop in Australien beobachtete er zusammen mit anderen Astronomen im April, August und Oktober 1962 gleich drei Mondbedeckungen von 3C 273. Mit einer Fotoplatte konnten sie auch die gemessene Position mit einer sichtbaren Quelle in Übereinstimmung bringen. In einem Brief hielt Hazard seine Entdeckung fest: „3C 273 wurde jetzt mit einem 13,0mag-Stern identifiziert!“ Die Positionsdaten erreichten auch Maarten Schmidt, der am Caltech arbeitete und am Palomar-Observatorium beobachtete. Wenige Stunden vor der Morgendämmerung des 28. Dezember 1962, seinem 33. Geburtstag, saß er in der Primärfokuskabine des Hale-Teleskops und peilte nach einer 9-stündigen Belichtung einer Radiogalaxie das stellare Objekt 3C 273 im Sternbild Jungfrau an. Schmidt arbeitete gut 20 Meter über dem 5 Meter großen Hauptspiegel, saß stundenlang in der Kabine auf dem Traktorsitz und musste seine Instrumente bei völliger Dunkelheit bedienen; in dieser langen und frostigen Winternacht trug er wie üblich seinen mit 24 Volt beheizbaren Fliegeranzug.

Astronom im Primärfokus des Hale-Teleskops;
John French, john.moisttowelettemuseum.com

Und vielleicht hörte er sogar eine Bach-Kantate oder Telemanns Klaviervariationen, als das Licht des 13,0mag hellen Radiosterns in den Primärfokus-Spektrografen fiel, durch ein Prisma zerlegt wurde und das Spektrum mit einer Kamera, die mit einer Diamantlinse ausgestattet war, festgehalten wurde. Weitere kalte Winternächste folgten, da die Fotoplatten teilweise überbelichtet waren, doch alle Lichtstreifen zeigten Spektrallinien, auf die sich der Astronom keinen Reim machen konnte. Am 05. Februar 1963 befand sich Maarten Schmidt in seinem Büro in Pasadena und beobachtete durch ein Mikroskop die mit Klebeband fixierten Glasplatten. Schließlich erkannte er das bekannte Muster von einzelnen Wasserstofflinien, nur waren sie an einer völlig falschen Stelle: Die Linien im Spektrum von 3C 273 waren um 16% in den roten Bereich verschoben, u.a. war so auch eine ansonsten unsichtbare Magnesium-Linie aus dem UV-Bereich in den sichtbaren Teil verschoben. Sein Kollege Jesse Greenstein erinnerte sich so an diesen Nachmittag: „Diese Anekdote wurde viel zu oft gedruckt, aber sie ist wahr. Er sagte: Jesse, was sagst du dazu? Ich sah hinein und es war die Wasserstoffserie, nur an der falschen Stelle, und ein paar andere Linien. Er sagte: Also, was denkst du? Ich sagte: Man, das ist fantastisch. Er sagte: 16%.” Das Licht wies eine Rotverschiebung von 16% (z=0,158) auf.

Am Abend feierten die Männer bei Greenstein zu Hause, tranken schottischen Wiskey und rauchten holländische Zigarren Marke Schimmelpenninck, und wieder daheim erzählte Maarten Schmidt seiner Frau: “Heute ist im Büro etwas Schreckliches passiert.“ Es war in der Tat ungeheuerlich: Die entdeckte Rotverschiebung musste kosmologischen Ursprungs sein – Schmidt war sich zu 80% und sein Freund Greenstein zu 90% sicher – und ein Maß für die Entfernung darstellen. Heute geht man davon aus, dass die Rotverschiebung von 3C 273 einer  Entfernung von fast zwei Milliarden Lichtjahren entspricht. Und noch absolut unfassbarer wurde es, als man das Rätsel um die Energiequelle lösen wollte, denn wie soll ein 13,0mag heller Stern über diese unglaubliche Distanz sichtbar sein? Wenig später deutete die weitere Analyse des Lichts bereits an, dass eine nie gekannte Energiemenge in einer sehr kleinen Region frei wird. 15 Jahre später erinnerte sich Schmidt: „Mein Gott, das Ding hat nur ein Lichtjahr, vielleicht sogar nur einen Lichtmonat, und schleudert 10 hoch 46 erg pro Sekunde raus!“ Ausgedrückt in einer bekannteren Einheit bedeutet es, dass 3C 273 allein im visuellen Bereich etwa eine Billion Mal mehr Energie als unsere Sonne, die eine Leuchtkraft von 10 hoch 26 Watt besitzt, abstrahlt. Maarten Schmidt hatte tatsächlich die leuchtkräftigsten Himmelsobjekte im Universum gefunden, die kurze Zeit später als Quasare (quasistellare Radioquelle) bekannt wurden. Dies war nur der Anfang, die wahren Extreme dieser sehr weit entfernten Lichtpunkte wurden erst in den folgenden Jahren und Jahrzehnten entschlüsselt.

05.02.2013