Jul 18

Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

These images of the planet Neptune were obtained during the testing of the Narrow-Field adaptive optics mode of the MUSE/GALACSI instrument on ESO’s Very Large Telescope. The image on the right is without the adaptive optics system in operation and the one on the left after the adaptive optics are switched on.

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz 4LGSF, ein Subsystem der Adaptive Optics Facility (AOF), zum Einsatz. Die AOF bietet eine Adaptive Optik für Instrumente am Hauptteleskop 4 (engl. Unit Telescope 4, kurz UT4) des VLT. MUSE war das erste Instrument, das von dieser neuen Anlage profitiert hat, und verfügt nun über zwei Modi Adaptiver Optik – den sogenannten Wide-Field-Modus und den Narrow-Field-Modus.

Der Wide-Field-Modus von MUSE gekoppelt mit GALACSI im sogenannten Ground-Layer-Modus korrigiert die Auswirkungen atmosphärischer Turbulenzen bis zu einem Kilometer über dem Teleskop über ein vergleichsweise großes Gesichtsfeld. Der neue Narrow-Field-Modus mit Lasertomografie hingegen korrigiert fast alle atmosphärischen Turbulenzen über dem Teleskop, um noch viel schärfere Bilder zu erzeugen, wenn auch über einen kleineren Bereich des Himmels [2].

Mit dieser neuen Fähigkeit erreicht das 8-Meter-Teleskop UT4 die theoretisch machbare Grenze seiner Bildschärfe und wird nicht mehr durch atmosphärisches Verschmieren begrenzt. Dies ist im Sichtbaren extrem schwierig zu erreichen und liefert Bilder, die mit denen des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops vergleichbar sind. So wird es Astronomen möglich, faszinierende Objekte wie supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren entfernter Galaxien, Jets von jungen Sternen, Kugelsternhaufen, Supernovae, Planeten und deren Monde im Sonnensystem und vieles mehr in bisher unerreichter Detailtreue zu untersuchen. [1].

Adaptive Optik ist eine Technik zur Kompensation der Unschärfe, die durch die Erdatmosphäre verursacht wird und ein großes Problem aller bodengebundenen Teleskope darstellt. Dies wird auch als Seeing bezeichnet: Turbulenzen in der Atmosphäre lassen  die Sterne schon mit bloßem Auge funkeln. Bei großen Teleskopen führt dies zu unscharfen Himmelsaufnahmen. Das Licht von Sternen und Galaxien wird verzerrt, wenn es die Schutzschicht unseres Heimatplaneten durchdringt, und Astronomen müssen intelligente Technologien einsetzen, um die Bildqualität künstlich zu verbessern.

Um dies zu erreichen, sind vier starke Laser an UT4 befestigt, die Strahlen aus intensivem orangefarbenem Licht mit einem Durchmesser von 30 Zentimetern an den Himmel projizieren, die Natriumatome hoch in der Atmosphäre stimulieren und künstliche Laserleitsterne erzeugen. Systeme Adaptiver Optik nutzen das Licht dieser „Sterne“, um die Turbulenzen in der Atmosphäre zu ermitteln und Tausend Mal pro Sekunde entsprechende Korrekturen zu berechnen, wobei der dünne, verformbare Sekundärspiegel von UT4 seine Form ständig verändert und so das verzerrte Licht korrigiert.

MUSE ist nicht das einzige Instrument, das von der Adaptive Optics Facility profitiert. Mit GRAAL ist ein weiteres System Adaptiver Optik mit der Infrarotkamera HAWK-I im Einsatz. In einigen Jahren wird das leistungsstarke neue Instrument ERISfolgen. Diese wichtigen Entwicklungen in der Adaptiven Optik erweitern die bereits starke Flotte der ESO-Teleskope und rücken das Universum noch besser in den Fokus.

Dieser neue Modus stellt auch einen großen Fortschritt für das Extremely Large Telescope der ESO dar, das die Lasertomografie benötigen wird, um seine wissenschaftlichen Ziele zu erreichen. Die Ergebnisse an UT4 mit der AOF werden den Ingenieuren und Wissenschaftlern des ELT helfen, eine ähnliche Technologie Adaptiver Optik an dem 39-Meter-Riesen zu implementieren.

Endnoten

[1] Atmosphärische Turbulenzen variieren mit der Höhe, einige Schichten führen zu einer stärkeren Degradierung des Lichtstrahls von Sternen als andere. Die komplexe Technik der Adaptiven Optik mit Lasertomografie zielt darauf ab, vor allem die Turbulenzen dieser atmosphärischen Schichten zu korrigieren. Für den Narrow-Field-Modus von MUSE/GALACSI  wird ein Satz vordefinierter Schichten in 0 km (Bodenschicht; immer ein wichtiger Mitwirkender), 3, 9 und 14 km Höhe ausgewählt. Der Korrekturalgorithmus wird dann für diese Schichten so optimiert, dass die Astronomen eine Bildqualität ehalten, die fast so gut ist wie bei einem natürlichen Leitstern und der theoretischen Leistungsgrenze des Teleskops entspricht.

[2] MUSE und GALACSI im Wide-Field-Modus bieten bereits eine Korrektur über ein Gesichtsfeld von 1,0 Bogenminuten Durchemsser bei einer Pixelskala von 0,2″ x 0,2″. Dieser neue Narrow-Field-Modus von GALACSI deckt ein viel kleineres Gesichtsfeld von 7,5 Bogensekunden ab, aber mit viel kleineren Pixeln, die nur 0,025″ x 0,025″ abdecken, um die exquisite Auflösung voll auszunutzen.

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