Aus dem Labor zu den Sternen
Der Maser wird 50
Was der Laser für das Licht darstellt, ist der Maser im Mikrowellenbereich. Zuerst wurde er im Labor erprobt, dann eroberte er den Weltraum. Die aktuelle Ausgabe des Wissenschaftsjournals Science widmet den scharfen Energielinien zwei Artikel.
50 Jahre ist der Maser jetzt alt und dieser Geburtstag rechtfertigt eine Laudatio. 1954 entwickelten Gordon, Zeiger und Townes den Maser, was ausgeschrieben "microwave amplification by stimulated emission of radiation", auf Deutsch "Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission" bedeutet (vgl. Microwave Laser). Wenn man den Begriff Mikrowelle durch Licht ersetzt, hat man den Laser ("light amplification by stimulated emission of radiation") und tatsächlich ist der Maser sein direkter Vorläufer (vgl. History of Laser).
Das Funktionsprinzip ist im Grunde das Gleiche: Ein Medium (im Fall des Masers von 1954 waren es Ammoniak-Moleküle) wird durch zugeführte Energie stimuliert und so eine Aussendung von elektromagnetischer Strahlung (stimulierte Emission) aus dem Lasermedium heraus erzwungen. Die Atome oder Moleküle fallen gleichzeitig aus dem angeregten Zustand in einen energetisch tiefer gelegenen Zustand und dadurch wird Strahlung frei. Harald Lesch ("Astronomie ist unglaubliche Ahnenforschung auf allerhöchstem Niveau«) nennt diesen Vorgang in seiner Bildungssendung "Alpha Centauri" im Fernsehen schlicht "molekularen Kommunismus".
Ronald L. Walsworth vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics schildert in Science kurz die Erfolgsgeschichte des Masers und die Vielfalt der heutigen Formen. Er schreibt:
Der Maser und sein jüngerer optischer Cousin, der Laser, sind prototypische Beispiele der leistungsstarken Technologien, die durch die Physik des 20. Jahrhunderts und die Quantenmechanik inspiriert wurden. Heute vergrößern Maser die Reichweite der Anwendungen der Quantenmechanik um revolutionäre neue Methoden bei Rechnern und in der Kommunikation und sie dienen dazu, Theorien zu überprüfen, die die Quantenmechanik mit der allgemeinen Relativitätstheorie vereinen wollen die andere große Aufgabe der Physik des 20. Jahrhunderts.
Der Griff nach den Sternen
Mark Claussen vom National Radio Astronomy Observatory in Socorro widmet seinen Science-Artikel den astronomischen Masern. Charles H. Townes, der Vater des Masers, der 1964 den Nobelpreis für seine Entdeckungen erhielt, ging an die University of Berkeley und wandte seine Blick den Sternen zu:
Ich kam nach Berkeley vor allem wegen der Astronomie, und weil ich wieder reif für eine Veränderung war. Der Laser war nun ein populäres Thema geworden, und ich wollte mich um Dinge in der Astronomie kümmern, die ich überfällig fand - etwa die Moleküllinien, die Signale der Moleküle aus dem All. Das Nächstliegende für mich war Ammoniak, und da waren sie auch, die ersten Moleküllinien. Das war wieder eine große Sache. Dann suchten wir Wasser, obwohl ich das eigentlich für wenig wahrscheinlich hielt, denn Wasser verlangt eine sehr hohe Anregungsenergie, muss von etwas sehr Schnellem und Heißem getroffen werden, damit es Strahlung aussendet. Aber da es im Wellenlängenbereich ganz in der Nähe liegt, schauten wir eben doch - und da war es! Wasser. Es strahlte als Maser. Interstellare Maser sind gebündelte Energie. Wie der Laser beim Licht schaukelt sich beim Maser im Mikrowellenbereich die Strahlung durch Rückkopplung hoch. So können begrenzte, sehr heiße Gebiete eine enorm starke Radiostrahlung in der Frequenz von Wasser aussenden.
Neue Sonnen, neues Leben
Die Radioastronomie ermöglicht es den Kosmologen in ganz neue Bereiche des Weltalls vorzudringen, die durch reine Optik nicht zugänglich sind. Die Entdeckung der astronomischen Maser 1965 revolutionierte die Erkenntnisse über das All. Die schmalen und scharfen Mikrowellen-Linien geben Aufschluss über das molekulare Gas um entstehende Sterne und damit über die Geschichte der Entstehung der Galaxien, über schwarze Löcher und den Prozess des Sterbens von Sternen als rote Riesen oder Superriesen (vgl. Sternendieb im All). Mit Radioteleskopen (VLBI oder Very Long Baseline Interferometry) werden kosmische Maser aufgespürt. Heute bezeichnen die Astronomen in anderen Galaxien gefundene extrem starke Maser mit einer hundert- bis mehrere tausendfach stärkeren Leuchtkraft als unsere Sonne als Megamaser.