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VLT
Erster MIDI-Blick auf Epsilon Carinae
Redaktion
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23. Dezember 2002

Grund zu feiern gab es am 15. Dezember für ein Team von Astronomen und Ingenieuren aus Deutschland, Holland, Frankreich und von der Europäischen Südsternwarte ESO: Zum ersten Mal gelang es mit ihrem im Infraroten bei Wellenlängen um 0,01 Millimeter empfindlichen Instrument MIDI die Strahlengänge aus zwei der vier 8.2-Meter-Teleskope des Observatoriums auf dem Cerro Paranal in den chilenischen Anden zusammenzuführen.

First Fringes
 
"First fringes", das Interferenzmuster vom Stern "Epsilon Carinae" bei 0.087 Millimeter Wellenlänge. Dieses Muster erscheint auf dem Bildschirm, wenn die Differenz der Lichtwege beider Teleskope kontinuierlich variiert wird. Dort, wo das Signal am stärksten ist, sind die Weglängen genau gleich.

MIDI

MIDI im unterirdischen VLTI-Labor auf Paranal. Deutlich erkennbar der Kryostat, in dem sich der Detektor und die gekühlte Optik befindet, sowie der Tisch mit den optischen Komponenten, die den Lichtstrahl von den beiden Teleskopen in den Kryostaten lenken. Bild/Foto: ESO

Für diese interferometrische Beobachtung, unter Fachleuten "fringes" genannt, musste das Licht von den beiden 102 Meter voneinander entfernten Teleskopen in einem zentralen Labor in der Weise zusammengeführt werden, dass die Länge der beiden Lichtwege sich um nicht mehr als 0.001 mm unterscheidet. Dieses Ereignis stellt die ersten interferometrischen Beobachtungen unter Ausnutzung der vollen Fläche der neuen Riesenteleskope dar. Damit erhalten sie, zusätzlich zu ihrer überragenden Lichtstärke, ein zehnfach erhöhtes Auflösungsvermögen, das dem Auflösungsvermögen eines Einzelteleskops von 100 Metern Öffnung entspricht. Ein solches Einzelteleskop wird es nicht vor Ende des nächsten Jahrzehnts geben.

Das Instrument MIDI wurde, unter Führung des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, von einem europäischen Konsortium astronomischer Institute entwickelt. Heute steht es an seinem Bestimmungsort im unterirdischen interferometrischen Labor des Observatoriums der ESO auf dem Paranal. Als erstes von zwei Instrumenten wird es dort während der nächsten zehn Jahre interferometrische Beobachtungen mit allen vier 8-Meter-Teleskopen durchführen. In einem früheren, von ESO gebauten Experiment war die Funktionsfähigkeit der komplexen optischen Infrastruktur bereits getestet worden (astronews.com berichtete). Das Instrument wiegt etwa 1,5 Tonnen und ist auf einem 1,5 mal 2,1 Meter großen optischen Präzisionstisch gelagert (siehe unser Bild). Der große im Hintergrund sichtbare Würfel ist der Kryostat, eine Vakuumkammer, worin der Detektor und die benachbarten optischen Komponenten auf eine Temperatur von –270 bis – 240 Grad Celsius gekühlt werden. Die Kühlung ist bei Infrarotbeobachtungen erforderlich, um die Eigenstrahlung der verwendeten Materialien zu unterdrücken. Trotz seiner beachtlichen Größe, musste MIDI relativ zu den von den beiden Teleskopen kommenden Lichtstrahlen mit einer Genauigkeit von mindestens 0.1 Millimetern positioniert und von mindestens 0.01 Grad ausgerichtet werden. Die nötige Elektronik wurde in einem benachbarten Raum untergebracht, um thermische und mechanische Störungen zu minimieren.

Das Projekt startete vor fünf Jahren, als das Max-Planck-Institut für Astronomie 1997 der ESO den Bau eines Instruments vorschlug, das zu den interferometrischen Plänen der ESO passte und, bei Einhaltung der vorgesehenen Zeitpläne, das ersten seiner Art weltweit sein würde. Bald danach schlossen sich die Niederländische Wissenschaftsorganisation NOVA mit ASTRON, die Universitätsinstitute in Amsterdam und Groningen, und NEVEC, sowie die anderen Partnerinstitute in Frankreich und Deutschland an. Unter der Leitung von Christoph Leinert und Uwe Graser vom MPIA arbeiteten mehr als zwei Dutzend Ingenieure, Astronomen und Studenten dreieinhalb Jahre lang intensiv an Planung, Entwurf und Bau aller Teile, bis der Zusammenbau des Geräts im Max-Planck-Institut für Astronomie beginnen konnte. Es folgte hier eine ausführliche Testphase, während gleichzeitig auf dem Paranal die komplexe Infrastruktur für das erste interferometrische Instrument vorbereitet wurde.

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Nach einer abschließenden Prüfung und Abnahme durch ESO wurde das Instrument im September dieses Jahres zum Paranal verfrachtet. Die 32 großen hölzernen Boxen mit einem Gewicht von insgesamt 8 Tonnen trafen im November gerade rechtzeitig für die Montage des Instruments im Interferometrielabor auf dem Berg ein. Anfang Dezember wurde MIDI getestet, wobei das Sternlicht von zwei kleinen Test-Teleskopen mit je 40 cm Öffnung in das Gerät eingespeist wurde. Die gesamten Kosten für den Bau des Geräts betragen 6 Millionen Euro, davon wurden für 1.8 Millionen Euro Ausrüstungsteile, Materialien und optische Komponenten gekauft, der Rest floss in die Gehälter der Beteiligten.

Der erste Lohn für all diese Mühen kam in der Nacht vom 14. auf den 15. Dezember. In der ersten Hälfte der Nacht wurden zwei 102 Meter von einander entfernte 8-Meter-Teleskope für die interferometrischen Beobachtungen eingestellt und beide auf den Stern Epsilon Carinae gerichtet. Dann wurde das Licht von beiden Teleskopen in das unterirdische Interferometrielabor geleitet. Präzisionsspiegel wurden bewegt, um die Teile des System, die zum ersten Mal alle zusammen arbeiteten, in den empfindlichen Zustand zu bringen, der für Interferometrie notwendig ist: Die Lichtwege vom Stern über die beiden Teleskope bis ins Instrument müssen exakt gleich sein. Als dann das für interferometrische Messungen charakteristische Muster (die "Fringes") auf den Bildschirmen der Computer zur Steuerung von MIDI sichtbar wurde, war klar: Die hohe Qualität aller 32 optischen Komponenten, die das Sternlicht durch dieses komplexe Mess-System bis zum Detektor führen, und die Richtigkeit des Messkonzepts waren erwiesen.

Interferometrie ist eine Technik zur Erhöhung der Abbildungsschärfe, die in der Radioastronomie bereits extensiv eingesetzt wurde. Sie beruht auf dem allgemeinen physikalischen Gesetz, wonach, je größer die Öffnung eines Teleskops ist, desto schärfere Abbildungen entstehen. Die Kombination der Lichtstrahlen aus zwei 100 Meter von einander entfernten Teleskopen (wie auf dem Paranal verwirklicht) liefert dieselbe Bildschärfe, wie der Einsatz eines Teleskops mit 100 Metern Öffnung. Aber dies gilt nur, wenn das optische System, welches das Licht von den beiden Teleskopen zur Überlagerung bringt, so genau konstruiert ist, dass der Weg von den Teleskopen zum Treffpunkt der beiden Strahlen (dessen Länge einschließlich der nötigen Richtungsänderungen etwa 200 Meter beträgt) sich nicht um mehr als einen Bruchteil der Wellenlänge des beobachteten Lichtes (also höchstens um 0,001 mm) unterscheidet. Gleichzeitig muss das durch die Turbulenz der Atmosphäre verursachte Wabern des Sternbildes mit derselben hohen Genauigkeit korrigiert werden.

Diese höchst anspruchsvollen technischen Schwierigkeiten sind im Laufe der letzten fünf bis zehn Jahre gelöst worden, so dass heute die Sterne mit erheblich größerer Schärfe abgebildet werden können. Das interferometrische Messinstrument MIDI, das nun auf dem Paranal in Betrieb geht, erreicht eine Auflösung, mit der sich von Heidelberg aus auf der Kuppel des Reichtagsgebäudes in Berlin eine offene Handfläche erkennen ließe, oder ein mittelgroßes Kaufhaus auf dem Mond, oder auch eine Strecke wie der Abstand Erde-Sonne in den uns am nächsten liegenden Bereichen der Milchstraße, wo heute noch Sterne und Planetensysteme entstehen. Das nächste, für den Paranal vorgesehene interferometrische Messinstrument, AMBER, das für andere wissenschaftliche Zwecke eingesetzt werden soll, wird ein noch fünfmal höheres Auflösungsvermögen erreichen, da es bei kürzeren Wellenlängen arbeitet.

Dank seiner hohen Empfindlichkeit für thermische Strahlung wird MIDI in idealer Weise geeignet sein für die Untersuchung von Materie in der nahen Umgebung der astronomischen Strahlungsquellen, welche diese Materie erwärmen. Meist entzieht sich dieses Material der Beobachtung, weil der Staub, den es enthält, die emittierte Strahlung absorbiert und abschattet. Aber diese Effekte sind bei den langen Wellenlängen, bei denen MIDI arbeitet, nahezu vernachlässigbar. Deshalb wird man mit MIDI solche Objekte untersuchen, wie etwa die rätselhaften Staubringe in den Zentren der Quasare und Radiogalaxien, die Gas- und Staubscheiben, welche neu entstandene Sterne umgeben, und in denen sich möglicherweise Planeten bilden, und die Umgebungen von Riesensternen, wo die Staubteilchen erstmals gebildet werden, die später und anderenorts bei der Entstehung von Sternen und Planeten eine so wichtige Rolle spielen.

MIDI ist das erste Messinstrument, das interferometrische Beobachtungen dieser Art an großen Teleskopen ermöglicht. Zahlreiche Wissenschaftler erwarten nun mit großer Spannung den Beginn des regulären Beobachtungsbetriebes im nächsten Jahr. Die Ergebnisse der ersten Nacht zeigen, dass sie nicht umsonst warten werden.

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