Gestochen scharfer Blick in den Südhimmel

Vier Hochleistungslaser und das neue Instrumentensystem Gravity+ verbessern die Beobachtungskraft des Paranal-Observatoriums der Europäischen Südsternwarte

Auf den Punkt gebracht

• Laser aktiviert: Am Standort Paranal der Europäischen Südsternwarte (Eso) wurden vier Laser in Betrieb genommen, um künstliche Sterne zur Korrektur atmosphärischer Verzerrungen zu erzeugen.
• Gravity+ Projekt: Dieses Projekt unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik bündelt die vier 8-Meter-Teleskope der Eso zu einem riesigen virtuellen Teleskop mit extrem hoher Auflösung, einer Technik, die als Interferometrie bekannt ist. Dank der Laser und verbesserter Technik, erhöht das Gravity+-Projekt die Empfindlichkeit des Detektors um einen Faktor 40 und den messbaren Himmelsbereich um einen Faktor 500.
• Atmosphärische Korrekturen: Bisherige Korrekturverfahren der Bildschärfe waren auf helle Referenzsterne in der Nähe des Zielobjekts angewiesen. Die neuen Laser schaffen Flexibilität: Sie erzeugen künstliche Referenzsterne in der Atmosphäre und ermöglichen Beobachtungen in einem größeren Himmelsbereich, unabhängig von benachbarten Referenzsternen.
• Wissenschaftliche Erkenntnisse: Das verbesserte System ermöglicht genauere Messungen der Masse von Schwarzen Löchern und erleichtert die Erforschung des galaktischen Zentrums und der Quasare im frühen Universum.

Das Very Large Telescope Interferometer (VLTI) kombiniert das Licht von vier einzelnen Teleskopen des Very Large Telescope (VLT) und nutzt dabei entweder die 8-Meter-Einzelteleskope oder die kleineren Hilfsteleskope mittels Interferometrie. Ein Konsortium europäischer Institute unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik hat das Instrument, das für die präzise Bildgebung sorgt, nun signifikant erneuert. Es läuft fortan unter dem Namen Gravity+. Das Vorgängerinstrument Gravity hat in der Astronomie in den letzten Jahren dank bislang unerreichter Winkelauflösung, also Abbildungsgenauigkeit am Himmel, einige Rekorde eingefahren: Es hat Präzisionstests der allgemeinen Relativitätstheorie mit dem Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße ermöglicht, Exoplaneten und junge stellare Objekte abgebildet und die Massen supermassereicher Schwarzer Löcher im gesamten Universum bestimmt. Mit Gravity+ wurden auch die Teleskope und der unterirdische Strahlkombinator umfassend modernisiert, sowie Laser an jedem der zuvor nicht ausgestatteten 8-Meter-Teleskope installiert. Der Teleskopverbund erreicht Winkelauflösungen von wenigen Millibogensekunden. 

„Das VLTI mit dem Gravity Instrument hat bereits so viele unerwartete Entdeckungen ermöglicht, dass wir gespannt sind, wie Gravity+ die Grenzen noch weiter verschieben wird“, sagt Frank Eisenhauer, Gravity+-Projektleiter und Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik.

Das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik spielte eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von Gravity+ und leitete das Gesamtdesign. Das Institut entwickelte und installierte außerdem vier neue, hochmoderne Wellenfrontsensoren. Diese Sensoren werden zur Beobachtung der künstlichen Sterne verwendet, die durch die neu installierten Laser erzeugt werden, und ermöglichen eine fortschrittliche adaptive Optikkorrektur für das VLTI. Gemeinsam mit verformbaren Spiegeln glecht diese Technik die durch die Erdatmosphäre verursachten Unschärfeeffekte aus. 

Vor der Installation des Lasers musste die Korrektur der atmosphärischen Sichtverhältnisse am VLTI auf helle natürliche Referenzsterne zurückgreifen. In den meisten Fällen gibt es jedoch keinen geeigneten Stern in der Nähe des interessierenden Ziels, was die Anzahl der beobachtbaren Objekte stark einschränkte. Mit den neuen Lasern können nun künstliche Sterne an jeder beliebigen Stelle am Himmel erzeugt werden. Das Laserlicht regt einen kleinen Punkt in einer Schicht aus Natriumatomen in der Atmosphäre an, etwa 90 Kilometer über der Erdoberfläche, und erzeugt so einen Laserleitstern. Dies erweitert den Beobachtungsbereich des VLTI erheblich und ermöglicht den Zugang zum gesamten südlichen Himmel. 

Vom galaktischen Zentrum bis zum Rand des Universums

Die Arbeitsgruppe zu Infrarotastronomie am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik plant, die neuen adaptiven Optiksysteme mit Laserleitsternen in zwei wichtigen Forschungsbereichen einzusetzen: dem galaktischen Zentrum und Quasaren im frühen Universum.

Im galaktischen Zentrum wird das Team dank der verbesserten Schärfe und Empfindlichkeit noch schwächere Sterne entdecken und verfolgen können, die das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße umkreisen – und damit den Weg für eine direkte Messung der Rotation des schwarzen Lochs ebnen. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein rotiert die Raumzeit um das Schwarze Loch mit diesen mysteriösen Objekten und beeinflusst insbesondere die Umlaufbahnen von Sternen, die nahe genug herankommen – ein Bereich, den nur das VLTI untersuchen kann.

Die verbesserten Fähigkeiten werden es den Forschenden außerdem ermöglichen, das Gas, das schnell um supermassereiche schwarze Löcher in weit entfernten Galaxien wirbelt, räumlich aufzulösen. Die Methode funktioniert über die gesamte kosmische Zeit hinweg und führt zu einer direkten Messung der Masse des schwarzen Lochs. „Diese Verbesserungen ermöglichen Beobachtungen von Objekten im frühen Universum, weniger als ein paar hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Wir werden in der Lage sein, die Massen von schwarzen Löchern präziser als je zuvor zu messen, und zwar zu einem kritischen Zeitpunkt, als sich schwarze Löcher und ihre Wirtsgalaxien rasant entwickelten“, sagt Taro Shimizu, Astronom am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und Mitglied des Instrumentenkonsortiums. 

Einzelstern in der Großen Magellanschen Wolke ist eigentlich ein Doppelstern

Zu Testzwecken wurde als erstes Ziel ein Cluster massereicher Sterne im Zentrum des Tarantelnebels ausgewählt, einer Sternentstehungszone in der Großen Magellanschen Wolke, einer Nachbargalaxie der Milchstraße. „Bereits diese ersten Beobachtungen zeigten, dass ein helles Objekt im Nebel, das als der massereichste bekannte Einzelstern galt, tatsächlich ein Doppelsternsystem aus zwei eng beieinander liegenden Sternen ist“, erklärt Guillaume Bourdarot vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. Dies verdeutliche die beeindruckende Auflösungsleistung und das wissenschaftliche Potenzial des verbesserten VLTI. 

MPE/MPG, BEU

Hintergrundinformationen

Das Gravity+-Konsortium besteht aus folgenden Partnern:

Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE); Max-Planck-Institut für Astronomie; Universität zu Köln (Deutschland); Institut National des Sciences de l'Univers, Französisches Nationales Zentrum für wissenschaftliche Forschung; Institut für Planetologie und Astrophysik Grenoble; Laboratoire d’instrumentation et de recherche en astrophysique (LIRA); Lagrange Laboratory; Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (Frankreich); Instituto Superior Técnico’s Centre for Astrophysics and Gravitation (CENTRA); Universität Lissabon; Universität Porto (Portugal); Universität Southampton (Großbritannien); Katholieke Universiteit Leuven (Belgien); University College Dublin (Irland); Instituto de Astronomia – Universidad Nacional Autónoma de México (Mexiko); Europäische Südsternwarte (ESO)

Das Gravity+ Instrument wurde gebaut von einem Konsortium unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik und wurde unterstützt von der Max-Planck-Förderstiftung.