Man kann sich nur vorstellen, was Grote Rebers Nachbarn dachten, als der Funkamateur 1937 in seinem Hof eine fast 10 Meter breite flache Schüssel aus Blech errichtete, die auf einem verstellbaren Gerüst thronte und von einer offenen Pyramide aus schlaksigen Türmen gekrönt wurde. Seine Nachbarn konnten nicht ahnen, dass sie Zeugen der Geburt einer neuen Sichtweise auf den Kosmos wurden.
Reber baute das erste dedizierte Radioteleskop der Welt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Teleskopen, die Linsen oder Spiegel verwenden, um sichtbares Licht zu fokussieren, verwendet diese Vorrichtung Metall und Schaltkreise, um interstellare Radiowellen, niederfrequente Wellen elektromagnetischer Strahlung, zu sammeln. Mit seinem selbstgebauten Gerät erstellte Reber die erste Himmelskarte, die mit strahlenempfindlichen Augen gesehen wurde, und begründete damit die Radioastronomie.
„Radioastronomie ist für unser Verständnis des Universums genauso grundlegend wie … optische Astronomie“, sagt Karen O’Neil, Standortleiterin am Green Bank Observatory in West Virginia. „Wenn wir das Universum verstehen wollen, müssen wir wirklich sicherstellen, dass wir so viele verschiedene Arten von Augen wie möglich auf das Universum richten.“
Wenn Astronomen über Radiowellen aus dem Weltraum sprechen, beziehen sie sich nicht (notwendigerweise) auf außerirdische Sendungen. Häufiger interessieren sie sich für niederenergetisches Licht, das beispielsweise entstehen kann, wenn Moleküle ihre Rotation erhöhen oder Elektronen in einem Magnetfeld wirbeln. Zum ersten Mal auf interstellare Radiowellen einzuschalten, war vergleichbar damit, dass Galileo Jahrhunderte zuvor ein modifiziertes Fernglas auf die Sterne gerichtet hatte – wir konnten Dinge am Himmel sehen, die wir noch nie zuvor gesehen hatten.
Heute ist die Radioastronomie ein globales Unternehmen. Mehr als 100 Radioteleskope – von spinnenförmigen Antennen, die tief am Boden hocken, bis hin zu überdimensionalen Versionen von Rebers Schüssel, die Hunderte von Metern umfassen – sind auf der ganzen Welt verteilt. Diese Augen am Himmel waren so bahnbrechend, dass sie im Mittelpunkt von nicht weniger als drei Nobelpreisen standen.
Nicht schlecht für ein Feld, das zufällig gestartet wurde.
In den frühen 1930er Jahren suchte ein Ingenieur der Bell Telephone Laboratories namens Karl Jansky Quellen von Funkwellen auf, die die drahtlose Kommunikation störten. Er stolperte über ein Zischen, das von irgendwo im Sternbild Schütze in Richtung des Zentrums der Galaxie kam.
„Die grundlegende Entdeckung, dass es Radiostrahlung aus dem interstellaren Weltraum gab, hat die Theorie durcheinander gebracht“, sagt der Astronom Jay Lockman, ebenfalls von Green Bank. “Es gab keine bekannte Möglichkeit, das zu bekommen.”
Bell Labs brachte Jansky zu anderen, irdischeren Beschäftigungen. Aber Reber, ein Radiofan, las von Janskys Entdeckung und wollte mehr wissen. Niemand hatte jemals zuvor ein Radioteleskop gebaut, also hat Reber es selbst herausgefunden und basierte sein Design auf Prinzipien, die verwendet wurden, um sichtbares Licht in optischen Zielfernrohren zu fokussieren. Er verbesserte Janskys Antenne – eine Reihe von Metallröhren, die von einem drehbaren Holzbock gehalten wurden – und konstruierte eine parabolische Metallschüssel, um eintreffende Funkwellen auf einen Punkt zu fokussieren, an dem ein Verstärker das schwache Signal verstärkte. Der ganze Apparat stand auf einem kippbaren Holzsockel, mit dem er den Himmel abtasten konnte, indem er das Teleskop auf und ab schwenkte. Das gleiche grundlegende Design wird heute für Radioteleskope auf der ganzen Welt verwendet.
Fast ein Jahrzehnt lang war Reber – teilweise dank der Weltwirtschaftskrise und des Zweiten Weltkriegs – weitgehend allein. Das Feld blühte erst nach dem Krieg auf, als eine Gruppe von Wissenschaftlern mit neuem Funkwissen aus der Entwicklung von Radarsystemen strotzte. Seitdem gibt es Überraschungen.
„Die Entdeckung interstellarer Moleküle ist eine große Sache“, sagt Lisa Young, Astronomin am New Mexico Tech in Socorro. Radioteleskope sind gut geeignet, um in die dichten, kalten Wolken zu blicken, in denen sich Moleküle befinden, und die emittierte Strahlung zu erfassen, wenn sie Rotationsenergie verlieren. Heute umfasst die Liste der identifizierten interstellaren Moleküle viele komplexe organische Stoffe, darunter einige, die als Vorläufer des Lebens gelten.
Radioteleskope haben auch bisher ungeahnte Objekte entdeckt. Quasare, die lodernden Kerne entfernter Galaxien, die von riesigen Schwarzen Löchern angetrieben werden, tauchten erstmals in den späten 1950er Jahren in detaillierten Radiokarten auf. Pulsare, die ultradichten sich drehenden Kerne toter Sterne, machten sich 1967 bekannt, als Jocelyn Bell Burnell bemerkte, dass das von ihr mitgebaute Funkantennen-Array alle 1,3 Sekunden einen stetigen Piepton … piep … piep aus dem Weltraum aufnahm. (Sie wurde übergangen, als der Physik-Nobelpreis 1974 diese Entdeckung würdigte – ihr Berater erhielt die Anerkennung. Aber eine Auszeichnung kam 2018, als ihr der Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics verliehen wurde.)
Pulsare sind „nicht nur deshalb interessant, weil sie selbst eine Entdeckung sind“, sagt Lockman. Sie „werden jetzt verwendet, um Tests der allgemeinen Relativitätstheorie durchzuführen und Gravitationswellen zu detektieren“. Das liegt daran, dass sich alles, was einen Pulsar anstößt – beispielsweise eine vorübergehende Welligkeit in der Raumzeit – ändert, wenn seine ultrapräzisen Radioschläge die Erde erreichen. In den frühen 1990er Jahren führten solche Timing-Variationen von einem Pulsar zur ersten bestätigten Entdeckung von Planeten außerhalb des Sonnensystems.
In jüngerer Zeit haben kurze Strahlen von Radioenergie hauptsächlich von anderen Galaxien die Aufmerksamkeit der Astronomen auf sich gezogen. 2007 entdeckt, sind die Ursachen dieser „schnellen Funkausbrüche“ noch unbekannt. Aber sie sind bereits nützliche Sonden für das Zeug zwischen den Galaxien. Das Licht dieser Eruptionen kodiert Signaturen der Atome, die auf ihrem Weg zur Erde angetroffen wurden, und ermöglicht es Astronomen, viele Materie aufzuspüren, von der sie dachten, dass sie im Kosmos sein sollte, aber noch nicht gefunden wurde. „Das war es, was uns erlaubte, das Universum zu wiegen und zu verstehen, wo sich die fehlende Materie befindet“, sagt Dan Werthimer, Astronom an der University of California in Berkeley.
Und es war eine Radioantenne, die 1964 der damals noch jungen Urknalltheorie den größten Schub gab. Arno Penzias und Robert Wilson, Ingenieure bei Bell Labs, wurden von einem anhaltenden Zischen in der hausgroßen, hornartigen Antenne, die sie für die Radioastronomie umfunktionierten, behindert. Schuld daran war Strahlung, die den gesamten Weltraum durchdringt und aus einer Zeit hinterlassen wurde, als das Universum viel heißer und dichter war als heute. Dieser „kosmische Mikrowellenhintergrund“, benannt nach den relativ hohen Frequenzen, bei denen er am stärksten ist, ist immer noch das klarste Fenster, das Astronomen in das sehr frühe Universum haben.
Radioteleskope haben eine weitere Superkraft. Mehrere über Kontinente verbundene Radioschüsseln können als ein riesiges Observatorium fungieren, mit der Fähigkeit, Details viel feiner zu sehen als jedes dieser Gerichte, die allein agieren. Der Bau eines Funkauges so groß wie der Planet – das Event Horizon Telescope – führte zum ersten Bild eines Schwarzen Lochs.
„Nicht, dass irgendjemand einen Beweis für die Existenz brauchte [of black holes]“, sagt Young, „aber es ist so wunderbar, es tatsächlich sehen zu können.“
Die Liste der Entdeckungen geht weiter: Galaxien aus dem frühen Universum, die komplett in Staub gehüllt sind und so kein Sternenlicht aussenden, leuchten in Radiobildern noch hell. Ringe aus Gas und Staub, die junge Sterne umgeben, geben Aufschluss über die Planetenentstehung. Informationen zu Asteroiden und Planeten in unserem Sonnensystem können gesammelt werden, indem Radiowellen von ihren Oberflächen reflektiert werden.
Und natürlich die Suche nach außerirdischer Intelligenz oder SETI. „Das Radio ist wahrscheinlich der wahrscheinlichste Ort, an dem wir die Frage ‚Sind wir allein?’ beantworten“, sagt Werthimer.
Dieses Gefühl reicht mehr als ein Jahrhundert zurück. Im Jahr 1899 nahm der Erfinder Nikola Tesla Funksignale auf, von denen er glaubte, dass sie von Leuten auf einem anderen Planeten kamen. Und im August 1924 befahlen die Vereinigten Staaten für 36 Stunden, dass alle Funksender stündlich fünf Minuten lang still stehen, um auf Sendungen vom Mars zu horchen, während die Erde den Roten Planeten in relativ geringer Entfernung umschlingt. Das Feld erhielt 1960 einen offizielleren Auftakt, als der Astronom Frank Drake das ursprüngliche Radioteleskop von Green Bank auf die Sterne Tau Ceti und Epsilon Eridani richtete, nur für den Fall, dass dort jemand sendete.
Während SETI seine Höhen und Tiefen hatte, „gibt es eine Art Renaissance“, sagt Werthimer. „Es gibt viele neue, junge Leute, die bei SETI einsteigen … und es gibt neues Geld.“ Im Jahr 2015 hat der Unternehmer Yuri Milner über einen Zeitraum von 10 Jahren 100 Millionen US-Dollar für die Suche nach anderen Bewohnern unseres Universums zugesagt.
Obwohl der Einsturz des riesigen Arecibo-Observatoriums im Jahr 2020 – mit einem Durchmesser von 305 Metern war es die meiste Zeit seines Lebens das größte Einzelschalen-Radioteleskop – tragisch und unerwartet war, haben Radioastronomen neue Einrichtungen in Arbeit. Das Square Kilometre Array, das nach seiner Fertigstellung Ende der 2020er Jahre kleine Radioschüsseln und Antennen in ganz Australien und Südafrika miteinander verbinden wird, wird die Beschleunigung der Expansion des Universums untersuchen, nach Lebenszeichen suchen und die Bedingungen ab kosmischer Morgendämmerung erforschen. „Wir werden die Signaturen der ersten Strukturen im Universum sehen, die die ersten Galaxien und Sterne bilden“, sagt Werthimer.
Aber wenn die Geschichte der Radioastronomie ein Leitfaden ist, werden die bemerkenswertesten Entdeckungen, die noch kommen werden, die Dinge sein, nach denen niemand gedacht hat, zu suchen. So vieles an diesem Feld ist von Glücksfällen geprägt, stellt Werthimer fest. Sogar die Radioastronomie als Feld begann zufällig. „Wenn Sie nur etwas bauen, um sich einen Ort anzusehen, an dem noch niemand zuvor geschaut hat“, sagt er, „werden Sie interessante Entdeckungen machen.“