Gravity – gemeinsam genauer werden!

Es war der Sozialreformer Friedrich Wilhelm Raiffeisen, der im 19. Jahrhundert den Satz prägte: „Was dem einzelnen nicht möglich ist, das vermögen viele.“ Etwas flapsig gesagt: Auch die Astrophysiker sind inzwischen auf diesen Sinnspruch gekommen. Immer häufiger schalten sie Teleskope zusammen, um die Welt da draußen mit noch höherer Genauigkeit beobachten zu können. Es ist eine Zwei-Euro-Münze auf dem Mond, die dort oben auf zwei Zentimeter genau geortet werden könnte, das erklärte mir Frank Eisenhauer bei meinem Gespräch über das ESO-Projekt mit der Bezeichnung Gravity. Es wurde schon vor rund zehn Jahren theoretisch aus der Taufe gehoben, aber es dauerte bis letztes Jahr, ehe das „erste Licht“ erfolgte, wie das Neudeutsch so schön heißt, das „First Light“ der Teleskope, mit dem die Funktionsfähigkeit einer astronomischen Anlage erstmals unter Beweis gestellt wird. Die Mühlen der Wissenschaft mahlen langsam, könnte man denken, aber das ist bei Gravity zweifellos nicht der Fall! Denn in dieser Zeitspanne mussten etliche Ideen vom Papier in die technologische Realität gehoben werden.

Um aus den vier Einzelteleskopen der Very Large Telescopes ein einziges Beobachtungsinstrument – das Very Large Telescopes Interferometer, kurz VLTI – zu machen, ist erheblicher technologischer Aufwand erforderlich, der sich allerdings vorwiegend unter Tage, tief im Berg des Plateau Cerro Paranal in den chilenischen Andern der Atacama-Wüste auf einer Höhe von über 2600 Metern abspielt. Geht die Beobachtung mit solchen Instrumenten erst einmal richtig los und in umfänglichen Wirkbetrieb, dann tritt dieser technologische Aspekt schnell in den Hintergrund, weil dann schöne Bilder und auch große wissenschaftliche Ergebnisse die Mühsal technischer Detailentwicklungen leicht in den Schatten stellen. Doch die wissenschaftlichen Ergebnisse des Projektes Gravity sind noch im Konjunktiv verhaftet, denn zwar ist mit dem First Light schon festzuhalten, dass die Phänomene um das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße anders als früher nun immer zu sehen sind: „Die spektakulären Ergebnisse sind schon da, jetzt geht es darum, sie als Bild zu interpretieren“, das sagt Experte Eisenhauer. Ein hoch aufgelöstes Bild aus dem Universum zu machen, das ist schon schwierig genug, aber es geht immerhin noch deutlich schneller, als die neu gewonnene „Sichtbarkeit“ richtig zu verstehen. So sei es an dieser stelle gestattet, einen Blick auf das „Wie“ des Fuktionierens und nicht nur auf das „Was“ der Forschung von Gravity zu werfen.

Zuerst einmal ist jedes der Very Large Telescopes mit einer sogenannten adaptiven Optik ausgerüstet. Sie erlaubt es, Wellenfrontstörungen, die das Signal beim Durchlaufen der Atmosphäre erfährt, noch während der Messung auszugleichen. Für die Korrektur erfordert die adaptive Optik einen hellen Referenzstern, der am Himmel in nicht allzu großer Entfernung von dem angepeilten Beobachtungsobjekt steht. Anhand dieses Referenzsterns lässt sich die Turbulenz der Erdatmosphäre permanent messen und mit einem verformbaren Spiegel aus dem Signal eliminieren. Allerdings sind geeignete Referenzsterne nicht in allen Himmelsregionen verfügbar. Für diese Fälle gibt es auf dem Paranal zumindest für eines der vier Riesenaugen einen Plan B: Mit einem Laser projizieren die Astrophysiker in 90 Kilometern Höhe virtuelle Leitsterne. Dank dieser Laserleitsterne lässt sich mittlerweile fast der gesamte Himmel mit adaptiver Optik beobachten, allerdings nur im Einzel-Beobachtungsmodus, denn nur eines der vier großen Teleskope ist mit dieser Laser-Technologie ausgerüstet.

Laserleitstern VLT
Der Laserleistern in Richtung des Zentrums der Milchstraße an einem der vier Very Large Telescopes auf dem Paranal – Foto: G. Hüdepohl/ESO

Über ein kompliziertes Spiegelsystem wird das Lichtsignal jedes Teleskops dafür in ein unterirdisches Messlabor geleitet. Dort wird es mit dem vom Leitstern ermittelten Korrekturmodus hundert Mal in der Sekunde so adaptiert, dass alle Störungen herausgefiltert sind und so die Welle als Weltraum-Original gemessen werden kann. Über die digitale Auswertung der Leitstern-Veränderungen wird der aktiven Spiegel permanent gesteuert. Diese extreme Regelungstechnik des Signals in Echtzeit ist der zentrale neue Optimierungsfaktor bei den Very Large Telescopes, und zudem die Grundlage für die technologische Erweiterung bei der Zusammenschaltung zu einem Interferometer. Neben dieser adaptiven Optik kommt hier parallel nun der zweite Echtzeit-Regelungskreis hinzu. Er harmonisiert die Lichtlaufstrecken der vier Teleskope. Denn diese wird durch minimale Dichtefluktuationen der Atmosphäre beeinflusst. Um in Echtzeit eine präzise interferometrische Überlagerung von tausend Bildern pro Sekunde möglich zu machen, ist es erforderlich, diese minimalen Schwankungen zu ermitteln und danach auszugleichen. Die Interferenzbilder entstehen also – anders als bei der schon länger genutzten Radio-Interferometrie – live schon während der Beobachtung, nicht erst bei der nachgelagerten Datenauswertung der Signale. Diese Interferenzbilder sind allerdings noch kein Bild im traditionellen Verständnis. Sie müssen dann noch mit Hilfe bekannter mathematischer Verfahren zu einem konventionellen Abbild des Himmels umgerechnet werden.

Die vier zusammen geschalteten 8m-Teleskope des Typs VLT entsprechen dank dieser Technologie einem virtuellen Riesenteleskop mit einem Durchmesser von 130 m, was gleichzeitig die weltweit größte Anlage für optische und infrarote Himmelsbeobachtung ist: ein technologischer Superlativ, dem – man darf sicher sein – im Verbund mit dem Projekt Gravity bald gewichtige Neuentdeckungen über die Sternentstehung und Exoplaneten sowie Schwarze Löcher folgen werden – dazu in Kürze mehr!

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Ich habe viele Jahre journalistisch im Bereich Wissenschaft und Technologie gearbeitet, später dann mit meiner kleinen Beratungsfirma als Medienexpertin. 2010 erfüllte ich mir meinen großen Traum und gründete den Spartensender HYPERRAUM.TV, für den ich eine medienrechtliche Rundfunklizenz erteilt bekam. Seither mache ich als One-Woman-Show mit meinem „alternativen TV-Sender“ gewollt nicht massentaugliches Fernseh-Programm. Als gelernte Wissenschaftshistorikern habe ich mich gänzlich der Zukunft verschrieben: Denn die Vergangenheit können wir nur erkennen, die Zukunft aber ist für uns gestaltbar. Wir sollten versuchen, nicht blind in sie hinein zu stolpern!

5 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Ja, fast unvorstellbar, dass die Bildpunkte der 4 Teleskope so vereinigt werden können als wäre da nur ein einziges Teleskop. Denn es bedeutet bei der Wellennatur der Lichtpunkte, dass Wellenhügel mit Wellenhügeln und Wellentäler mit Wellentäler vereinigt werden müssen. Die Distanz zwischen zwei Wellentälern sind im optischen Bereich aber im Submikronbereich, also kleiner als ein tausendstel Millimeter. Die mechanische Genauigkeit müsste dann nach Hausmannslogik ebenfalls im Bereich von tausendstel Millimeter liegen. Doch fast jedes meterlange Material ändert seine Länge auch nur schon bei 0.1 Celsius Erwärmung um deutlich mehr. Wir haben es hier also mit einem Wunder zu tun. Da muss man sich nicht wundern, dass es etwas länger gedauert hat, bis alles zusammen war zumal immer noch der Spruch gilt: „Unmögliches wird sofort erledigt, Wunder dauern etwas länger“

    • Zusatz: Natürlich muss die Spiegeloberflächengenauigkeit eines einzelnen Teleskops schon im Submikrometerbereich liegen. Doch wenn man 4 Teleskope zusammenschalten will, heisst das ja, dass man das Licht der korrespondierenden Bildpunkte der 4 Teleskope an einen gemeinsamen Punkt weiterleiten muss. Und dieser Punkt liegt dann dutzende von Metern, also ein Vielfaches des Spiegeldurchmessers, entfernt von den Ursprungspunkten. Je länger der Weg, desto mehr Ungenauigkeit kann sich aber einstellen.

      • Ja, in der Tat. Die Technologie ist reichlich spektakulär, was da mit den Lichtwellen geschieht. Im Talk ist auch eine Animation zu sehen, die den (leider habe ich vergessen, wie viele Meter – aber ziemlich langen) Weg durch den Untergrund bis zum Interferenzbild zeigt. Ich fand, dass die Technologie schon sehr, sehr beeindruckend ist – ganz abgesehen davon natürlich auch das, was man damit dann forschend machen kann …

  2. Susanne Päch schrieb (19. Juni 2017):
    > […] Plan B: Mit einem Laser projizieren die Astrophysiker in 90 Kilometern Höhe virtuelle Leitsterne.

    Wer sich (etwa so wie ich) daraufhin fragt, wie, in welchen Höhen und mit welcher Genauigkeit sich „virtuelle Leitsterne“ überhaupt „projizieren“ lassen, findet Hinweise u.a. in Wikipedia.

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