20.08.2007

Weltgrößte Bolometer-Kamera

Mit dem neuartigen Instrument LABOCA – der weltweit größten Bolometer-Kamera – wurden am APEX-Teleskop in Chile erste Beobachtungen durchgeführt.

Mit dem neuartigen Instrument LABOCA – der weltweit größten Bolometer-Kamera – wurden am APEX-Teleskop in Chile erste Beobachtungen durchgeführt.

Die weltgrößte Bolometer-Kamera für astronomische Submillimeter-Beobachtungen ist seit kurzem am 12m-APEX-Teleskop in Betrieb, in 5100 m Höhe auf dem Chajnantor-Plateau in den chilenischen Anden. LABOCA, die „LArge BOlometer CAmera“, wurde in der Bolometergruppe des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn gebaut und ist speziell für die Untersuchung astronomischer Objekte mit extrem niedrigen Temperaturen ausgelegt. Mit dem großen Blickfeld und ihrer sehr hohen Empfindlichkeit wird LABOCA neue Einblicke in die Sternentstehung ermöglichen, außerdem in die Entstehung der ersten Generation von Galaxien nach dem Urknall.

„Ein großer Teil des Gases im Universum hat extrem niedrige Temperaturen von ca. –250 Grad Celsius, nur 20 Grad über dem absoluten Nullpunkt“, sagt Karl Menten, Chefwissenschaftler des APEX-Projekts und Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, wo LABOCA gebaut wurde. „Die Untersuchung von solch kalten Gaswolken erfordert sehr ausgefeilte Detektoren für den Submillimeterbereich, in dem sie die meiste Strahlung abgeben.“

Für diese Aufgabe benutzen die Astronomen Bolometer-Kameras, die im Wesentlichen die Funktion von Thermometern haben. Mit ihnen weist man die einfallende Strahlung dadurch nach, dass sie einen Anstieg der Temperatur im Detektor bewirkt. Im Detail besteht solch ein Bolometer-Detektor aus einer extrem dünnen Folie, die das einfallende Licht absorbiert. Jede Änderung in der Strahlungsintensität bewirkt eine entsprechende Änderung in der Temperatur der Folie, die durch empfindliche elektronische Thermometer aufgezeichnet wird. Um den Nachweis auch kleinster Temperaturschwankungen zu ermöglichen, werden die einzelnen Bolometer auf Temperaturen von weniger als 0,3 Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, das sind weniger als –272,85 Grad Celsius!

„Das Herunterkühlen auf so niedrige Temperaturen erfordert die Verwendung von flüssigem Helium und stellt eine enorme Herausforderung für ein Observatorium dar, das in einer Höhe von 5100 m über dem Meeresspiegel betrieben wird“, so Carlos de Breuck, der APEX Instrument-Wissenschaftler an der Europäischen Südsternwarte (ESO).

Abb. 1: Die 295 Pixel Bolometerkamera LABOCA, die seit Mai 2007 in 5100 m Höhe am Submillimeterteleskop APEX in der Atacamawüste in Nordchile in Betrieb ist. (Bilder: MPIfR Bonn, APEX-Team)

Es ist keineswegs einfach, die extrem niedrige Temperaturstrahlung astronomischer Objekte nachzuweisen. Der Millimeter- und Submillimeterbereich des elektromagnetischen Spektrums eröffnet ein Fenster zum kalten Universum, aber die Strahlung aus dem Weltall in diesem Wellenlängenbereich wird sehr stark durch den Wasserdampf in der Erdatmosphäre absorbiert. „Es ist etwa so, als wenn man versuchte, Sterne während des Tages zu beobachten“, erklärt Axel Weiß vom MPIfR, ein Mitglied des Forscherteams, das LABOCA am APEX-Teleskop installiert hat.

Das ist natürlich auch der Grund dafür, dass Teleskope für diese Art von Astronomie an hochgelegenen trockenen Standorten errichtet werden müssen. Genau deswegen wurde die 5100 hohe Chajnantor-Ebene in der extrem trockenen Atacama-Wüste ausgewählt. Sogar unter den optimalen Bedingungen, die dort herrschen, ist die Temperaturstrahlung der Erdatmosphäre immer noch hunderttausendmal stärker als die extrem schwachen Signale von fernen Galaxien. Es werden spezielle Filterprogramme benötigt, um derart schwache Signale aus den vielfach stärkeren Störungen zu extrahieren.

Sowohl LABOCA selbst als auch die für den Betrieb erforderliche Software wurden am MPIfR entwickelt. „Da es bis jetzt keine kommerziellen Anwendungen für solche Instrumente gibt, mussten wir alles selbst entwickeln“, erklärt Ernst Kreysa, der Leiter der Bolometergrupe am MPIfR, die das neue Instrument gebaut hat.

In einer Bolometer-Kamera wird eine Vielzahl von winzigen Bolometer-Einheiten zu einer Matrix zusammengesetzt, vergleichbar der Kombination zahlreicher Pixel auf dem Chip einer Digitalkamera. Mit LABOCA wird bei einer Wellenlänge von 0,87 mm im Submillimeterbereich beobachtet. Sie besteht aus insgesamt 295 Pixeln in einer hexagonalen Anordnung. Die Winkelauflösung liegt bei 18,6 Bogensekunden und das komplette Bildfeld hat einen Durchmesser von 11,4 Bogenminuten. Das ist mehr als ein Drittel des scheinbaren Monddurchmessers am Himmel, eine sehr bemerkenswerte Größe für ein Instrument dieser Art.

„Schon die ersten astronomischen Beobachtungen haben das phantastische Potential von LABOCA gezeigt. Vor allem die große Anzahl von Detektoren stellt eine enorme Verbesserung gegenüber früheren Instrumenten dar“, sagt Giorgio Siringo vom MPIfR, ebenfalls einer der leitenden Wissenschaftler im LABOCA-Team. „LABOCA ist die erste Kamera, mit der wir große Flächen am Himmel mit hoher Empfindlichkeit kartieren können.“ Die Abbildungen 2 und 3 zeigen Beispiele von LABOCA-Beobachtungen einer Galaxie in ca. 10 Millionen Lichtjahren Entfernung und eines Sternentstehungsgebiets in unserer Milchstraße.

Abb. 2: Die Galaxie NGC 253 im Vergleich einer optischen Beobachtung (links) mit der Verteilung von kaltem Staub, beobachtet mit LABOCA im Mai 2007 (rechts), beide im gleichen Maßstab dargestellt. Die Verteilung des kalten Staubs in der LABOCA-Karte folgt den dunklen Absorptionsstrukturen im optischen Bild und zeigt darüber hinaus die Spiralstruktur der Galaxie. (Bilder: MPIfR Bonn, CFHT (J.-C. Cuillandre))

APEX, das „Atacama Pathfinder Experiment“, an dem LABOCA eingesetzt wird, ist ein neuartiges 12m-Radioteleskop für Submillimeter-Wellenlängen, entwickelt aus einer Prototyp-Antenne für ALMA, das „Atacama Large Millimeter Array“, das einmal aus 50 Einzelteleskopen bestehen wird. APEX wird heute bereits am zukünftigen Standort von ALMA betrieben. Im Vergleich zum Design der ALMA-Teleskope weist es eine zusätzliche Tertiäroptik auf. Der 12m-Parabolspiegel von APEX hat eine extrem hohe Oberflächengenauigkeit, die zusammen mit der hervorragenden Durchlässigkeit der Atmosphäre für Submillimeter-Wellenlängen an diesem Standort Beobachtungen zwischen 0,2 und 1,4 mm Wellenlänge ermöglicht. Wie der Name schon andeutet, stellt APEX auch einen Pfadfinder für ALMA dar. Mit APEX werden interessante Objekte im Universum aufgespürt, die dann mit dem Netzwerk von 50 ALMA-Antennen als Interferometer mit sehr hoher Winkelauflösung im Detail studiert werden können.

Das APEX-Projekt wird in Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem schwedischen Onsala Space Observatory (OSO) und der Europäischen Südsternwarte (ESO) betrieben.

Abb. 3: Sternentstehung in der galaktischen HII-Region RCW 120. Das LABOCA-Bild (rechts) zeigt RCW 120 nach einer Belichtungszeit von nur etwas mehr als 3 Stunden. Expandierendes Gas in dieser HII-Region führt zum Kollaps des umgebenden Gases in dichte Klumpen, die Keimzellen für die Entstehung neuer Sterne darstellen. Weil das Gas in diesen Klumpen nach wie vor sehr kalt ist (Temperaturen von ca. –250 Grad Celsius), kann es nur in Submillimeter-Wellenlängen beobachtet werden. Durch die hohe Empfindlichkeit und das große Blickfeld von LABOCA wird es möglich, bis zu 4fach schwächere Klumpen nachzuweisen als bisher möglich. Da die Helligkeit dieser Klumpen auch ein Maß für die Masse der stellaren Embryos darstellt, erhalten die Wissenschaftler dadurch einen Zugang zur Beobachtung der Entstehung von masseärmeren und mehr sonnenähnlichen Sternen. (Bild: ESO)

Quelle: MPG

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