Schärferer Blick durch die Atmosphäre

Nach mehr als einem Jahr­zehnt der Planung, Konstruktion und Erprobung hat die Adaptive Optics Facility (AOF) mit dem Instru­ment MUSE erstes Licht gesehen und verblüffend scharfe Bilder von plane­tarischen Nebeln und Galaxien aufge­nommen. Das Haupt­teleskop 4 (Yepun) am Very Large Telescope (VLT) der ESO ist dadurch nun ein voll­ständig adaptives Teleskop. Durch die Kopplung der AOF mit MUSE wird es zu einem der fort­schrittlichsten und leistungs­stärksten Systeme, die je für die boden­gebundene Astronomie gebaut wurden.

Die Adaptive Optics Facility ist ein Langzeit­projekt am Very Large Telescope, um ein System Adap­tiver Optik für die Instrumente am Haup­tteleskop 4 zur Verfügung zu stellen, zu denen auch MUSE (Multi Unit Spectro­scopic Explorer) gehört. Da durch den Einfluss der Erd­atmosphäre Bilder verschwimmen, soll Adaptive Optik diese störenden Effekte kompen­sieren, so dass MUSE viel schärfere Aufnahmen machen kann. Da der Kontrast doppelt so hoch wie ohne diese Technik ist, kann MUSE nun noch licht­schwächere Objekte im Universum beobachten. „Selbst wenn die Wetter­bedingungen nicht perfekt sind, können Astro­nomen nun dank der AOF eine hervor­ragende Bild­qualität erreichen“, erklärt Harald Kuntschner, AOF-Projekt­wissen­schaftler bei der ESO.

Nachdem das neue System auf Herz und Nieren geprüft wurde, wurde das Team aus Astro­nomen und Ingenieuren mit einer Reihe eindrucks­voller Bilder belohnt. Den Forschern gelang beispiels­weise die Beobachtung der plane­tarischen Nebel IC 4406 im Sternbild Wolf, sowie NGC 6369 im Sternbild Schlangen­träger. Die MUSE-Beo­bachtungen mit der AOF brachten tief­greifende Verbes­serungen in der Schärfe der Aufnahmen und ent­hüllten nie zuvor beo­bachtete Schalen­strukturen in IC 4406.

Die AOF, die diese Beobach­tungen ermöglicht hat, setzt sich aus vielen Teilen zusammen. Dazu gehören die Four Laser Guide Star Facility (4LGSF) und der sehr dünne verform­bare Sekundär­spiegel des UT4. Die 4LGSF leuchtet mit vier 22-Watt-Laser­strahlen in den Himmel, um in der oberen Atmo­sphäre Natrium­atome zum Leuchten zu bringen, wodurch am Himmel Licht­punkte entstehen, die Sterne imi­tieren sollen. Sensoren im Adaptive-Optik-Modul GALACSI (Ground Atmo­spheric Layer Adaptive Corrector for Spectro­scopic Imaging) verwenden diese künst­lichen Laser­leitsterne, um die atmo­sphärischen Bedin­gungen zu bestimmen.

Tausend­mal pro Sekunde berechnet das AOF-System die not­wendige Korrektur, um die Form des Sekundär­spiegels des Teleskops anzu­passen und so die atmo­sphärischen Störungen auszu­gleichen. Vor allem bis zu einer Höhe von einem Kilometer über dem Teleskop gleicht GALACSI die Turbulenz in der Atmosphären­schicht aus. Abhängig von den Bedingungen kann die atmo­sphärische Turbu­lenz mit der Höhe variieren, aber Unter­suchungen haben gezeigt, dass die meisten atmo­sphärischen Störungen in dieser „Grund­schicht“ der Atmo­sphäre auftreten. „Das AOF-System bewirkt im Prinzip einen ähn­lichen Effekt, wie wenn wir das VLT um etwa 900 Meter anheben würden, über die turbu­lentesten Schichten in der Atmo­sphäre“, erklärt Robin Asenault, AOF-Projekt­leiter. „Wenn wir in der Vergan­genheit schärfere Aufnahmen gewollt hätten, hätten wir einen besseren Ort finden oder ein Weltraum­teleskop benutzen müssen – mit der AOF können wir jetzt einfach dort wo wir sind die Bedin­gungen deutlich verbessern, und das zu einem Bruchteil der Kosten.“

Die von der AOF ange­wandten Korrek­turen verbessern die Bild­qualität umgehend und konti­nuierlich, indem sie das Licht konzen­trieren, um schärfere Bilder zu erzeugen, so dass MUSE feinere Details auflösen und licht­schwächere Sterne erkennen kann als bisher möglich. GALACSI bietet derzeit eine Korrektur über ein weites Sichtfeld, aber das ist nur einer von vielen Schritten, um MUSE mit Adap­tiver Optik auszurüsten. Ein zweiter Modus von GALACSI ist in Vorbe­reitung und wird voraus­sichtlich Anfang 2018 das erste Licht sehen. Dieser Schmalfeld­modus korrigiert die Turbulenz in jeder Höhe, so dass Beobach­tungen kleinerer Gesichts­felder mit noch höherer Auflösung durch­geführt werden können.

„Vor 16 Jahren, als wir den Bau des revolu­tionären MUSE-Instruments planten, war unsere Vision, es mit einem anderen sehr fort­schrittlichen System zu koppeln, der AOF“, erzählt Roland Bacon, Projekt­leiter für MUSE. „Das bereits große Entdeckungs­potential von MUSE wird nun weiter verbessert.“ Eines der wich­tigsten wissen­schaftlichen Ziele des Systems ist es, licht­schwache Objekte im fernen Universum mit der best­möglichen Bild­qualität zu beobachten, was Belich­tungen von mehreren Stunden erfordern wird. Joël Vernet, MUSE- und GALACSI-Projekt­wissenschaftler, erläutert hierzu: „Ins­besondere sind wir daran interes­siert, die kleinsten, licht­schwächsten Galaxien in den größten Ent­fernungen zu beobachten. Diese Galaxien entstehen gerade erst und sind der Schlüssel zum Verständnis, wie sich Galaxien bilden.“

Darüber hinaus ist MUSE nicht das einzige Instru­ment, das von der AOF profi­tieren wird. In naher Zukunft wird ein weiteres System Adap­tiver Optik namens GRAAL mit dem bestehenden Infrarot-Instru­ment HAWK-I in Betrieb gehen und dessen Blick auf das Universum noch schärfer machen. Es soll später von dem leistungs­starken neuen Instrument ERIS abgelöst werden. „Die ESO treibt die Ent­wicklung dieser Systeme Adaptiver Optiken voran, außerdem ist die AOF auch ein Weg­bereiter für das Extremely Large Telescope der ESO“, fügt Arsenault hinzu. „Durch die Arbeit an der AOF haben wir – Wissen­schaftler, Ingenieure und ebenso die Industrie – Er­fahrungen und Fach­kenntnisse von unschätz­barem Wert gewonnen, die wir nun dafür verwenden werden, die Heraus­forderungen beim Bau des ELT zu meistern.“

ESO / JOL