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INSTRUMENTE/289: Das neue Auge Europas (research*eu)


research*eu - Nr. 62, Februar 2010
Magazin des Europäischen Forschungsraums

Das neue Auge Europas

Von Audrey Binet und Laurence Buelens


Mit einem Hauptspiegel von über 10,4 m Durchmesser ist es das größte Spiegelteleskop der Welt. Bereits mehrere Monate nach Inbetriebnahme wird die Betriebszeit des Gran Telescopio Canarias (GTC) schon für die Sammlung wissenschaftlicher Daten und nur noch zum Teil für Kalibrierungsaufgaben genutzt. Wir haben diese riesige Anlage besichtigt, die 2 400 m über dem Meeresspiegel auf der Kanareninsel La Palma thront.


Des Nachts zum Observatorium auf dem Roque de los Muchachos zu fahren, ist keine besonders gute Idee. Nur wenige Kilometer hinter der Inselhauptstadt Santa Cruz gibt es keine Straßenbeleuchtung mehr - beim Thema Lichtverschmutzung kennt die Insel La Palma kein Pardon. Die Besucher müssen sich auf die Lichter ihrer Fahrzeuge verlassen, um die sich 40 km bis zum Observatorium hochwindende Straße zu befahren. Dort angekommen, helfen Taschenlampen, den Weg zur Behausung der Astronomen zu finden. Unter klarem Himmel ist der Anblick der Sterne einfach überwältigend. In unseren lichtdurchfluteten Städten vergisst man beinahe, dass es sie noch gibt.

Am Tage machen die Sterne einem Anblick Platz, der nicht weniger faszinierend ist. Zum Sommeranfang bedeckt ein hübscher Teppich aus kanariengelbem Ginster die Vulkanberge. In dieser friedvollen Umgebung scheinen die zwölf Teleskope wie gigantische Pilze aus dem Boden zu sprießen. Ganz oben bietet der Roque de los Muchachos, der höchste Gipfel von La Palma, einen atemberaubenden Blick auf den 8 km breiten Krater Caldera de Taburiente.


Unter besten Bedingungen

Für René Rutten, Betriebsleiter des Gran Telescopio Canarias (GTC) und bereits seit ewigen Zeiten auf dem Roque de los Muchachos - vorher leitete er das Isaac-Newton-Teleskop -, war die Entscheidung für La Palma keine Frage: "Es ist das einzige Observatorium in Europa von weltweitem Rang. Die besten Standorte liegen immer sehr weit oben, entweder auf Berggipfeln mitten im Ozean, wie auf La Palma oder Hawaii, oder auf Bergketten in Küstennähe, wie in Chile. Und wieso? Weil sich so die Aufheizung der Luft in Bodennähe und damit atmosphärische Turbulenzen vermeiden lassen."

Bereits seit 1988 ist der Himmel über La Palma - und zum Teil auch über Teneriffa, wo das Teide-Observatorium steht - durch das "Gesetz über den Himmel" geschützt. Straßenbeleuchtung, die Stärke der Leuchtbirnen und ihre Ausrichtung sind sehr streng geregelt, um einen dunklen Nachthimmel über den Observatorien zu garantieren. Zur Senkung der Luftverschmutzung sind Aktivitäten der Industrie sowie der Luftverkehr eingeschränkt. So ist etwa der Flugverkehr über La Palma ausnahmslos verboten. Und schließlich ist auch der Funkverkehr eingeschränkt, damit dieser sich nicht mit den Frequenzen der wissenschaftlichen Instrumente überlagert.

Eine stabile Atmosphäre, gnädiges Wetter und ein Gesetz, das einmalig in seiner Art ist, machen das kanarische Gebirge zu einem bevorzugten Observationsort, an dem heute 62 Institutionen aus 19 Ländern angesiedelt sind.


Tag- und Nachtschichten

Um acht Uhr früh, wenn die Nachtschicht schlafen geht, frühstückt im Wohnhaus bereits die nächste Schicht, bevor sie sich im Fahrzeug zu der nur wenige Minuten entfernten Teleskopanlage aufmacht. Dort angekommen, ist es ohne Sonnenbrille nicht möglich, einen Blick auf die beeindruckende 45 m hohe und im Durchmesser 34 m breite Kuppel aus Metall zu werfen. Das eigens ausgesuchte Spezialmaterial reflektiert das Sonnenlicht und schützt so das Kuppelinnere vor Aufheizung.

Seit März 2009 sammelt das Teleskop bereits wissenschaftliche Daten, doch noch wird etwa die halbe Betriebszeit für Kalibrierungsarbeiten benötigt. "Seit ein paar Tagen bereiten wir uns auf den Transit eines Exoplaneten vor, der sich bald ereignen wird", verkündet René Rutten begeistert.

Carlos Alvarez gehört zu den acht Astronomen, die mit der Überwachung der beim GTC angefragten Observationen betraut sind. "Tagsüber führen wir Tests und die für die nächtlichen Beobachtungen notwendigen Kalibrierungen durch." Um 16 Uhr, wenn sich das Teleskop vorübergehend von seinen Bewohnern trennt, wird dieser fröhliche Sportler nach Santa Cruz zurücklaufen, wo er wohnt. In dreieinhalb Stunden!

An den Wänden des Ganges, der zum Teleskopraum führt, hängen Tafeln, auf denen die großen Bauabschnitte dargestellt sind. Der Grundstein wurde im Jahr 2000 gelegt. Sieben Jahre später war der Bau abgeschlossen. Er wurde zu 90 % von der spanischen Regierung finanziert, die dazu vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (FEDER) unterstützt wurde, zu 5 % von Mexiko und zu 5 % von der Universität Florida. Die Baukosten beliefen sich auf 104 Mio. EUR.


Ziel: null Turbulenzen

Weltweit gibt es nur rund ein Dutzend Großteleskope mit einem Hauptspiegel von 8-10 m Durchmesser. Das GTC ist wahrscheinlich der letzte Vertreter dieser Generation von Teleskopen. In den kommenden Jahren werden sie von Riesenteleskopen mit 30-m-Spiegeln verdrängt werden.

Je größer der Hauptspiegel, umso besser ist die Bildqualität und umso tiefer kann man in das Universum hineinschauen. Doch vor allem wegen ihres hohen Gewichts ist es sehr schwierig, Spiegel mit einem Durchmesser von über 8 m aus einem Stück zu fertigen. Deshalb bestehen Großteleskope aus Spiegelsegmenten. Der Spiegel des GTC besteht aus 36 sechseckigen 1,9 m hohen Segmenten, die auf Motoren montiert sind, um diese ganz präzise gegeneinander auszurichten - die Hauptvorrichtung des sogenannten aktiven optischen Systems. Zusammen bilden diese Spiegel eine konkave Oberfläche von 81,9 m², was einem runden Spiegel mit einem Durchmesser von 10,4 m entspricht.

Für René Rutten hört an dieser Stelle der Vergleich mit anderen Großteleskopen auf: "Das GTC ist technologisch viel fortgeschrittener, weil es lange nach diesen konstruiert wurde." Unter diesen Technologien befindet sich auch die adaptive Optik, mit der das Teleskop in einigen Jahren ausgestattet sein wird. Mit diesem System wird es möglich sein, die durch atmosphärische Störungen verursachten Abweichungen zu korrigieren. Wenn eine bislang völlig flache Lichtwelle in unsere Atmosphäre eindringt, wird sie durch Turbulenzen zusammengepresst. Sterne erscheinen uns dann unscharf, wie ein Geldstück, das auf dem Grund eines wassergefüllten Beckens liegt.

Die adaptive Optik kann diese Verzerrung bestimmen und praktisch in Echtzeit korrigieren, und das ungefähr 200 Mal pro Sekunde. Dabei wird der Lichtstrahl auf einen kleinen flexiblen Spiegel mit einem Durchmesser von rund 10 cm geleitet, der sich so schnell bewegt, dass die Wellenfront wieder abgeflacht wird. Damit wird das System mit den Observationsbedingungen von Weltraumteleskopen konkurrieren können.


Im Licht einer Eklipse

Das 1985 auf dem Roque de los Muchachos auf La Palma installierte Observatorium besteht heute aus zwölf Teleskopen. Auf sein Konto gehen mehrere astronomische Entdeckungen, sowohl im eigentlichen wie auch im übertragenen Sinne. Unter den jüngsten Neuigkeiten ist eine Studie der Forscher des Instituts für Astrophysik der Kanarischen Inseln (Instituto de Astrofísica de Canarias, IAC). Sie hatte Ende 2008 die Existenz von Naphtalin in einer Wolke aus interstellarer Materie in der Konstellation Perseus (rund 700 Lichtjahre von der Erde entfernt) nachgewiesen. Wenn dieses Molekül ultravioletter Strahlung ausgesetzt ist und sich mit Wasser und Ammoniak - zwei Verbindungen, die in relativ großen Mengen im interstellaren Raum vorhanden sind - verbindet, kann es eine große Bandbreite an Aminosäuren produzieren, die Grundvoraussetzung für die Entstehung von Leben. Mit dieser Entdeckung kann man besser verstehen, welches Milieu die Erde zur Zeit der Entstehung unseres Sonnensystems umgab und Leben überhaupt erst möglich machte.

Im Juni 2009 war es einer anderen Forschungsgruppe des IAC gelungen, die Zusammensetzung der Erdatmosphäre dank einer Mondfinsternis genauestens zu analysieren. Die Ergebnisse ihrer Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Das Prinzip ist einfach: Das Sonnenlicht durchdringt die Erdatmosphäre, wird vom Mond reflektiert und wieder zur Erde zurückgelenkt, wo es dann vom Teleskop eingefangen wird. Mit dieser neuen Technik lässt sich die Erdatmosphäre so analysieren, als ob es sich um einen entfernten Planeten handelte. Dadurch gelang den Wissenschaftlern die Bestimmung der biologischen Marker unserer Atmosphäre. Mit diesen kann man beurteilen, ob andere Planeten alle atmosphärischen Voraussetzungen für das Entstehen von Leben erfüllen.


Ein Glaspalast

Unter der Kuppel macht das Gefühl der Frische sehr bald der Kälte Platz: alle Vorrichtungen werden auf Nachttemperatur gehalten, im Sommer also ungefähr bei zehn Grad. "Wir öffnen die Kuppel eine halbe Stunde vor dem Sonnenuntergang, damit die Innentemperatur sich an die Außentemperatur anpassen kann", erklärt Carlos Alvarez. "Nachts wird die Wärme, die von den elektronischen Geräten erzeugt wird, mithilfe einer Wasser/Glykol-Mischung abgeführt. Bei einer Temperaturdifferenz von nur einem Grad zwischen dem Spiegel und der Luft würden sich bereits Qualitätsverluste bemerkbar machen", fügt René Rutten hinzu.

Ganz oben, genau in der Achse des Hauptspiegels, befindet sich ein zweiter kleinerer konvexer Spiegel. Dieser wirft das gesammelte Licht auf einen dritten Spiegel in der Mitte des Segmentmosaiks und dieser wiederum lenkt den Strahl auf einen der sechs Brennpunkte, an denen die wissenschaftlichen Instrumente installiert sind. Am GTC ist bisher nur ein Instrument installiert, das den Namen einer ägyptischen Gottheit trägt: OSIRIS, der Name steht für Optical System for Imaging and low Resolution Integrated Spectroscopy. Und in diesem großen blauen Kasten, an den unzählige Kabel angeschlossen sind, endet die Jahrmillionen währende Reise des Lichtstrahls und wird zum Bild, und vor allem zu einer wissenschaftlichen Information.


Gammastrahlenausbrüche auf Exoplaneten

OSIRIS arbeitet im Infrarot- bis in den nahen Ultraviolettbereich. Das Gerät produziert nicht nur Bilder, sondern ermöglicht auch Multi-Objekt-Spektroskopie. Darunter versteht man die Analyse des Spektrums von bis zu 30 Himmelsobjekten gleichzeitig, was für ein Teleskop dieser Größe von nicht zu vernachlässigendem Vorteil ist. Doch was dieses Instrument so einzigartig macht, ist nach den Worten des Betriebsleiters sein anpassbarer Filter, mit dem auch ein winziger Teil des Spektrums ausgewählt werden kann. "Die Teams haben es zum ersten Mal für die Universität Mexiko verwendet, um die Sternenbildung und die Bewegungen im Inneren einer aktiven Galaxie zu beobachten."

Mit diesem Filter ist auch die Ermittlung der Rotverschiebung kosmischer Objekte möglich. Damit wird die Verschiebung des Spektrums einer Lichtwelle in den Rotbereich bezeichnet. Sie entsteht, wenn man eine sich entfernende Lichtquelle beobachtet. Je höher die Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts, desto größer ist die Rotverschiebung und umso weiter ist das Objekt entfernt. "Werden Bilder gefiltert, lassen sich die Galaxien in bestimmten Frequenzbereichen erkennen und dadurch können wir ihre individuelle Geschwindigkeit messen." Und damit erfährt man mehr über die Ausdehnung unseres Universums.

Weitere Instrumente werden nach und nach aufgestellt. CanariCam, eine Infrarotkamera, die gleichzeitig Spektrograph, Polarimeter und Koronograph ist, soll im kommenden Frühjahr installiert werden. Mit dem Polarimeter wird die Polarisation der von den kältesten Objekten des Universums, wie etwa jungen Sternen oder Exoplaneten, ausgehenden Strahlung gemessen. Bei der Koronographie handelt es sich um eine Technik, mit der eine Eklipse um einen Stern herum reproduziert wird, um seine Korona und auch die den Stern umkreisenden Objekte sichtbar zu machen.

Weitere Instrumente sind EMIR, ein Multi-Objekt-Spektrograph, der im nahen Infrarotbereich arbeiten wird, und FRIDA, das speziell an die adaptive Optik des GTC angepasst wurde. Dieses Instrument wird mithilfe der 3D-Spektroskopie unter anderem sehr weit entfernte Objekte mit hoher Auflösung beobachten können.


Teure Zeit aufteilen

In den Nutzungszeiten des Teleskops spiegelt sich die Finanzierungsstruktur wider: Spanien stehen 90 % der Zeit zur Verfügung, während Mexiko und der Universität Florida jeweils 5 % zustehen.

Die Anfragen der Forschungszentren nach Observationszeiten werden von einem unabhängigen Ausschuss im Hinblick auf ihr wissenschaftliches Interesse eingeteilt. Anschließend unterteilt René Rutten diese je nach erforderlichen Beobachtungsbedingungen in verschiedene Kategorien. "Die Nutzung des Teleskops ist immer noch sehr kompliziert. Im ersten Jahr haben wir uns dazu entschlossen, die Observationen selbst durchzuführen, um uns auf den wissenschaftlichen Betrieb zu konzentrieren, zusammen mit Mitarbeitern, die genau wissen, was sie zu tun haben."

Am Abend leitet der diensthabende Astronom zusammen mit einem Techniker, der das Teleskop bedient, den Betrieb. "Um ein wissenschaftliches Programm im Einklang mit den Beobachtungsbedingungen aufzustellen, beziehen wir uns auf die Liste der möglichen Observationen", erklärt Carlos Alvarez. Bisher haben die Teams vor allem nach Braunen Zwergen (einem fehlenden Bindeglied zwischen Sternen und Planeten) und nach Gammastrahlenausbrüchen - heftigen Explosionen, die mit der Bildung von Schwarzen Löchern oder dem Zusammenstoß von Neutronensternen zusammenhängen - gesucht. "Man hat auch recht viel Zeit mit weit entfernten Galaxiehaufen verbracht", ergänzt René Rutten. "Da das GTC ein Mehrzweckinstrument ist, lässt es sich für alle möglichen Forschungsfragen einsetzen."

Sicherlich weiß man nicht immer, was aus den Daten wird, die in der wissenschaftlichen Gemeinschaft verbreitet werden. Doch aus der Sicht von Carlos Alvarez beziehen die Astronomen ihre Befriedigung aus vielen Quellen. "In ein und derselben Nacht kann man nach einem außerhalb des Sonnensystems liegenden Planeten suchen, dann nach einer Galaxie und schließlich nach einem Quasar, der ganz in der Nähe des Ursprungs des Universums liegt. Man berührt viele verschiedene Bereiche. Führt man seine eigenen Forschungen durch, konzentriert man sich auf einen bestimmten Bereich, wodurch man nach einigen Jahren Experte auf diesem Gebiet geworden ist. Aber das schränkt einen Forscher auch ein. Diese Arbeit hier ist umfassender und von allgemeinerer Art und das gefällt mir."

Bald wird die Sonne in einem Meer aus Wolken untergehen. Das GTC wird seine Kuppel mit einer erstaunlichen Lautlosigkeit öffnen und die Informationen werden sich auf die Bildschirme im Kontrollraum ergießen. Die Jagd ist eröffnet.


Ein Mehrwert für Europa

Das Gran Telescopio CANARIAS (GTC) wird 90 % der Beobachtungszeit Spanien, dem Hauptkapitalgeber, und Mexiko sowie der Universität Florida jeweils zu 5 % zur Verfügung stellen. Doch es besteht kein Zweifel daran, dass die gelieferten Informationen über die Grenzen hinaus gelangen werden. Auch in den Europäischen Forschungsraum (EFR)?

"Das GTC hat seine Arbeit erst vor kurzem aufgenommen und deswegen gibt es auch noch kein Projekt, das direkt mit seinem Einsatz zusammenhängt oder bei dem die Benutzung durch aktuelle oder frühere Rahmenprogramme (RP) finanziert wird. Manche Forscher, die Beobachtungszeit erhalten haben, sind natürlich in die vom RP6 und RP7 unterstützten Forschungsnetzwerken integriert", versichert Jesús Burgos, Leiter des Office for the Publication of Research Results (OTRI) des Instituto de Astrofisica de Canarias (IAC).

Andererseits werden die Gruppen, die an der Konstruktion des GTC mitgewirkt haben, ihr Wissen in mehrere europäische Projekte einbringen, darunter auch in den Bau des europäischen Großteleskops E-ELT (European Extremely Large Telescope) und des europäischen Solarteleskops EST (European Solar Telescope).


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Quelle:
research*eu - Nr. 62, Februar 2010, Seite 32-35
Magazin des Europäischen Forschungsraums
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veröffentlicht im Schattenblick zum 1. September 2010