Landschaft der Forschungsinfrastrukturen. VLT Einblicke in die Tiefen unseres Universums

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1 Landschaft der Forschungsinfrastrukturen VLT Einblicke in die Tiefen unseres Universums

2 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: VLT STAND JANUAR VLT Einblicke in die Tiefen unseres Universums Das Very Large Telescope auf dem Gipfel des Cerro Paranal in Chile ist ein Hightech-Juwel der Wissenschaft. Mit dem VLT sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dem Ursprung und der Entwicklung von Planeten, Sternen und Galaxien auf der Spur. Seit seiner Inbetriebnahme im Jahr 1999 gewährt das Aushängeschild der europäischen Astronomie einzigartige Einblicke in unser Universum, die bereits zu zahlreichen neuen Entdeckungen führten und die Reise ist noch nicht zu Ende. Der Sternenhimmel fasziniert die Menschheit seit jeher. Frühe menschliche Kulturen errichteten religiöse Kultstätten, an denen sie den Himmel beobachteten. Heute sind diese Wiegen der Astronomie vielfach zum Weltkulturerbe erklärt worden. Die damalige Himmelsbeobachtung bildet die Grundlage für Kalender und trug so zum Fundament unserer heutigen Zivilisation bei. Von ihrer Anziehungskraft hat die Astronomie bis heute nichts verloren. Mit Interdisziplinarität und fundamentalen Fragestellungen berührt und verbindet sie verschiedenste Gebiete: angefangen bei der Physik, über Chemie, Biologie und Geowissenschaften bis hin zu Theologie und Philosophie. Mit dem Very Large Telescope (VLT) sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fundamentalen Fragestellungen der Astronomie und der Menschheit auf der Spur. Sie wollen Aufbau und Entstehung von Planeten, Sternen und Galaxien verstehen. Dazu untersuchen sie Exoplaneten und Schwarze Löcher und vermessen die Eigenschaften von Galaxien, die Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Das Observatorium Das VLT zählt zu den technisch am höchsten entwickelten optischen Instrumenten der Welt und gilt als Flaggschiff und Arbeitspferd der europäischen erdgebundenen Astronomie. Es ist Teil des Paranal-Observatoriums, das die Europäische Organisation für astronomische Forschung in der südlichen Hemisphäre kurz ESO für European Southern Observatory auf dem 2635 Meter hohen Berg Cerro Paranal in der Atacama-Wüste Chiles betreibt. Dort, fernab der großen Städte und Hauptverkehrsrouten Chiles die nächstgelegene größere Stadt Antofagasta ist circa 120 Kilometer entfernt herrschen ideale Bedingungen für astronomische Beobachtungen: trockene und außergewöhnlich ruhige Luftströmungen und keinerlei Lichteinflüsse durch die Zivilisation. Der Blick in die Sterne begeistert und fasziniert den Menschen, soweit man zurückdenken kann. Die Beobachtung und das Verständnis der Naturschauspiele am Himmel haben die menschliche Kultur und Zivilisation geprägt. Auch heute hat der nächtliche Himmel nichts von seiner Faszination verloren. Mit Teleskopen wie dem VLT gelingt es, immer tiefer in die Weiten des Alls vorzudringen, um Antworten auf fundamentale Fragen zu finden zum Beispiel wie Planeten und Sterne entstehen. (Bild: ESO/B. Tafreshi (twanight.org))

3 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: VLT STAND JANUAR Vier Hauptteleskope mit Spiegeldurchmessern von jeweils 8,2 Metern sowie vier kleinere 1,8-Meter-Hilfsteleskope bilden das Fundament des VLT. Die Hauptteleskope tragen die der Sprache des Mapuche-Volkes entlehnten Namen Antu, Kueyen, Melipal und Yepun, die für Sonne, Mond, das Sternbild Kreuz des Südens und die Venus stehen. Die vier Hauptteleskope können einzeln betrieben oder zu einem großen Interferometer zusammengeschaltet werden, dem VLT-Interferometer (VLTI). Bei einer Belichtungszeit von einer Stunde kann jedes einzelne der Hauptteleskope Bilder von Objekten im Universum aufnehmen, die vier Milliarden Mal schwächer leuchten, als alles, was der Mensch noch mit bloßem Auge verarbeiten kann. Um dabei die bestmögliche Bildqualität zu erreichen, müssen Störeffekte durch Turbulenzen in der Erdatmosphäre oder durch Luftverwirbelungen über den Teleskopspiegeln ausgeglichen oder vermieden werden. Solche Störungen können durch Temperaturunterschiede am Teleskop entstehen schon alleine die Wärmeabstrahlung eines menschlichen Körpers reicht dazu aus. Daher sind die Teleskope in kompakten, temperaturgeregelten Gebäuden untergebracht, zu denen der Zutritt während der Messungen untersagt ist. Die Steuerung der Teleskope und Aufnahmen erfolgt aus einem Operationszentrum in einem separaten Gebäude. Um die Teleskope für eine Aufnahme auf einen bestimmten Punkt des Nachthimmels auszurichten, werden sie zusammen mit ihrem jeweiligen Gebäude gedreht. Jedes einzelne der 430 Tonnen schweren Teleskope lagert dazu beinahe reibungslos auf einem Ölfilm und ließe sich selbst mit der Hand verschieben. Die Luftunruhe in der Erdatmosphäre wird durch die sogenannte adaptive Optik ausgeglichen, bei der computergesteuerte, verformbare Spiegel die Verzerrungen der Bilder durch die Luftturbulenzen korrigieren. Damit wird eine Bildschärfe erreicht, die Weltraumbedingungen entspricht. Im interferometrischen Betrieb wird das von den Teleskopen des VLTI eingefangene Licht eines astronomischen Objektes zu einem einzigen Bild zusammengeführt. Das Licht wird dazu durch ein komplexes unterirdisches Spiegelsystem geleitet. Dieses ist derart konstruiert, dass sich die Weglängen der einzelnen Lichtanteile über 100 Meter um nicht mehr als einen tausendstel Millimeter gegeneinander verschieben können. Diese Präzision erlaubt es, Aufnahmen zu erstellen, mit denen sich von der Erde aus gesehen die beiden Scheinwerfer eines Autos auf dem Mond unterscheiden ließen. Entdeckungen und Messinstrumente am VLT Seit der Aufnahme des wissenschaftlichen Betriebs im April 1999 hat das VLT eine zentrale Bedeutung für die Astronomie erlangt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bewerben sich um dreimal mehr Beobachtungszeit am VLT, als zur Verfügung steht. Mit im Schnitt mehr als einer Fachveröffentlichung pro Tag ist In 2635 Meter Höhe, auf dem Gipfel des Cerro Paranal in der Atacama- Wüste Chiles, betreibt die ESO das Paranal-Observatorium mit dem VLT. Neben den vier Hauptteleskopen und vier weiteren Hilfsteleskopen auf der Beobachtungsplattform erkennt man im Vordergrund der Aufnahme das Kontrollzentrum. Von dort werden alle Operationen des VLT gesteuert. Ebenfalls zum Observatorium gehören das VLT Survey Telescope (VST) und das Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA), das im Hintergrund über der Beobachtungsplattform auf dem benachbarten Berggipfel zu sehen ist. (Bild: J.L. Dauvergne & G. Hüdepohl (atacmaphoto.com)/eso) Vom vierten Hauptteleskop Yepun ausgehend erzeugen die Forscherinnen und Forscher am VLT einen künstlichen Stern am Nachthimmel. Mit vier leistungsstarken Lasern zielen sie dazu auf das Zentrum der Milchstraße, unserer Galaxie. Die Strahlen werden in 90 Kilometern Höhe an der Mesosphäre reflektiert. Das zurückgestrahlte Licht nutzen die Astronominnen und Astronomen als Referenzwert, um die adaptive Optik der Teleskope so einzustellen, dass die Turbulenzen in der Erdatmosphäre kompensiert werden. So können sie Bilder von Millionen Lichtjahren entfernten Objekten mit einer Schärfe aufnehmen, als befände sich das Teleskop im Weltall. (Bild: ESO/F. Kamphues)

4 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: VLT STAND JANUAR das VLT das wissenschaftlich produktivste erdgebundene Observatorium. Es hat eine neue Ära spannender Entdeckungen eingeläutet, oft unter wesentlicher deutscher Beteiligung. Ein Highlight der wissenschaftlichen Erfolge am VLT ist die Bestimmung der Bahndaten von Sternen, die sich um das supermassereiche Schwarze Loch bewegen, welches sich im Zentrum unserer Milchstraße befindet. Die Sterne bewegen sich auf gekrümmten Bahnen und werden von diesem Schwarzen Loch mit geschätzten vier Millionen Sonnenmassen beeinflusst gelang am VLT die erste direkte Aufnahme eines Exoplaneten, also eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Auf der Aufnahme zeigte sich neben einem Braunen Zwerg ein tiefroter Punkt, den die Astronomen für einen Planeten mit drei bis zehn Jupitermassen halten. Normalerweise ist die Auflösung solcher Bilder durch die Luftunruhe in der Erdatmosphäre begrenzt, sodass sie nur einen einzigen verwaschenen Fleck zeigen würden. Doch die adaptive Optik des Teleskops kann die Luftturbulenzen ausgleichen und damit die Bildschärfe deutlich erhöhen. Ein weiterer Meilenstein der Astronomie gelang am VLT mit der Charakterisierung der Atmosphäre eines Exoplaneten. Der Planet mit der Bezeichnung GJ 1214b zieht auf seiner Umlaufbahn regelmäßig vor seinem Mutterstern vorbei. Dabei durchleuchtet ein kleiner Teil des Sternenlichts auf dem Weg zur Erde die Atmosphäre des Planeten. Dieses Licht haben die Astronominnen und Astronomen am VLT analysiert und herausgefunden, dass die Atmosphäre des Planeten entweder größtenteils aus Wasserdampf besteht oder aber von dichten Dunstschichten und Wolken dominiert wird. Auch die Entdeckung der beschleunigten Ausdehnung des Universums, die 2011 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, basierte zum Teil auf Daten des VLT. Auf dem Weg zu weiteren bahnbrechenden Entdeckungen wurde die Instrumentierung des VLT in jüngster Vergangenheit um Instrumente der zweiten Generation erweitert. Eines der leistungsfähigsten Instrumente ist der Multi Unit Spectroscopic Explorer MUSE der bisher leistungsfähigste optische Spektrograf der Astrophysik. MUSE wurde unter wesentlicher deutscher Beteiligung entwickelt und am VLT installiert. Das Instrument verbindet das Entdeckungspotenzial einer hochempfindlichen Kamera mit den Analysemöglichkeiten eines Spektrografen und erlaubt so einzigartige Einblicke in das Universum. Mit nur einer Himmelsaufnahme kann MUSE gleichzeitig über Spektren von astronomischen Objekten aufnehmen. Mit MUSE nehmen die Forscherinnen und Forscher gewissermaßen die dreidimensionale Bewegung der Materie in den Spiralarmen einer Galaxie oder der Sterne eines Sternhaufens auf. Sie erhalten ein Abbild der Objekte und ihres Bewegungszustands Informationen, die man ohne MUSE nur getrennt voneinander mit sehr großem Zeitaufwand Mit MUSE entstand am VLT unter deutscher Beteiligung der bisher leistungsfähigste optische Spektrograf der Astrophysik. Hochempfindliche Kamera und Spektrograf zugleich, erlaubt MUSE einzigartige Einblicke in unser Universum. So ist es möglich, die Frühphase der Galaxienentwicklung und Galaxien und ihre Schwarzen Löcher detailliert zu untersuchen. Die Abbildung zeigt die komplexe Verkabelung der insgesamt 24 Spektrografen und die Technik, die hinter MUSE steckt. (Bild: A. Tudorica/ESO) Die Europäische Südsternwarte ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet. Sie wird von 16 Ländern unterstützt und trägt damit neben der Spitzenforschung auch zur Völkerverständigung bei. Mit seinem Beitrag zum ESO-Haushalt sichert sich Deutschland eine herausragende Rolle in der Forschung auf dem Gebiet der Astronomie. (Bild: ESO/M. Alexander)

5 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: VLT STAND JANUAR gewinnen könnte. Die kombiniert gewonnenen Daten lassen Rückschlüsse auf die Eigenschaften der beobachteten Objekte zu und erlauben es zum Beispiel, die Frühphase der Galaxienentwicklung oder Galaxien und ihre massereichen Schwarzen Löcher detailliert zu untersuchen. Diese Untersuchungen werden neue einzigartige Einblicke in die Entstehung von Planeten, Sternen und Galaxien geben und uns der Antwort auf die Frage nach der Entstehung des Lebens näher bringen. Deutsche Beiträge zum VLT Deutschland ist Gründungsmitglied der 1962 gegründeten zwischenstaatlichen Organisation ESO, die heute 15 Mitglieder zählt. Mit jährlich circa 34 Millionen Euro übernimmt Deutschland zurzeit etwa 23 Prozent des ESO-Haushaltes, aus dem der Betrieb des VLT und weiterer Teleskope der ESO bezahlt wird. Damit ist Deutschland der größte Geldgeber. Dies sorgt für eine nachhaltige Sicherung der Spitzenposition Deutschlands als Forschungsstandort auf dem Gebiet der Astronomie. Die Expertise, die durch die maßgebliche Beteiligung von Arbeitsgruppen aus Deutschland aufgebaut wird, trägt nicht zuletzt zum Erfolg beim Einwerben von Beobachtungszeit bei. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland stellen die größte Nutzergemeinde am VLT. Die Beobachtungszeit am VLT wird über ein gutachtenbasiertes Auswahlverfahren verteilt. Die Anträge deutscher Astronominnen und Astronomen werden durchschnittlich zu 35 Prozent bewilligt ein Wert, der über dem Durchschnitt anderer Mitgliedsländer liegt. Insgesamt gehen etwa 24 Prozent der den Mitgliedstaaten zur Verfügung stehenden Beobachtungszeit an Nutzerinnen und Nutzer aus Deutschland. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert außerdem die Instrumentierung des VLT im Rahmen der sogenannten Verbundforschung. Sie ermöglicht Arbeitsgruppen an deutschen Universitäten, wesentliche Beiträge zur Weiterentwicklung von Forschungsinfrastrukturen wie etwa der ESO-Teleskope zu liefern. Damit sorgt das BMBF für eine stetige Weiterentwicklung des VLT und seiner effizienten wissenschaftlichen Nutzung. Durch die Verbundforschung konnten deutsche Universitätsinstitute an zentralen Instrumentierungsprojekten des VLT teilhaben. Ein Beispiel ist FORS (der Focal Reducer and Spectrograph ), das meistgenutzte Instrument am VLT, das in einem Verbund von Gruppen aus Heidelberg, Göttingen und München entwickelt und gebaut wurde. Auch an der Entwicklung von Instrumenten der sogenannten zweiten Generation, die die Instrumente erster Generation ergänzen werden, ist Deutschland beteiligt: Drei von insgesamt sieben VLT-Instrumenten der zweiten Generation, KMOS, MUSE und GRAVITY, werden von der Verbundforschung unterstützt. Insgesamt ist Deutschland bei etwa einem Drittel aller Instrumente involviert.

6 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: VLT STAND JANUAR Steckbrief VLT Very Large Telescope Typ: Technologie: Betriebsmodi: Standort: Betreiber: Baukosten: Deutscher Beitrag: Inbetriebnahme: Wellenlängenbereich: Optisches Design: Hauptteleskope: Hilfsteleskope Anlage von 8 astronomischen Teleskopen (4 Haupt- und 4 Hilfsteleskope) Spiegelteleskope für den optischen und Nahinfrarot-Bereich a) Getrennt als Einzelteleskope b) Kombination von bis zu 4 Teleskopen als Interferometer (VLTI) Cerro Paranal in der Atacamawüste, Chile, Höhe 2635 m European Southern Observatory (ESO) ca. 330 Millionen Euro ca. 23 Prozent Beteiligung über ESO-Beitrag, rund 76 Millionen Euro (zuzüglich ca. 28 Millionen Euro Verbundforschung seit 1993 für Instrumentierung) Erstes Licht ( First Light ) Antu: 25. Mai 1998 Kueyen: 1. März 1999 Melipal: 26. Januar 2000 Yepun: 4. September 2000 VLTI: 17. März 2001 Wissenschaftlicher Beobachtungsbetrieb ab April 1999 Optisch / Nahinfrarot (300 Nanometer bis 2,4 Mikrometer) Ritchey-Chrétien-Spiegelteleskop Hauptspiegel: 8,2 Meter Durchmesser aus ZERODUR Sekundärspiegel: 0,94 Meter Durchmesser aus Beryllium Tertiärspiegel: 1,242 x 0,866 Meter (elliptisch) aus ZERODUR Hauptspiegel: 1,8 m Durchmesser Beteiligte Länder: 15: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, Schweiz, Spanien, Tschechien (Die Ratifizierung Brasiliens als 16. Mitgliedsland steht derzeit aus.)

7 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: VLT STAND JANUAR Impressum Dieser Artikel ist Teil der Webseite Landschaft der Forschungsinfrastrukturen ( die der Projektträger DESY im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gestaltet und umsetzt. Auf der Webseite werden Großforschungsanlagen der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung aus aller Welt vorgestellt, an denen sich Deutschland derzeit wissenschaftlich und finanziell beteiligt vom Radioteleskop ALMA bis zum Röntgenlaser European XFEL. Herausgeber: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY Abteilung Projektträger DESY Notkestraße Hamburg pt@desy.de Stand: Januar 2017 Autor: Christopher Romig Redaktion: Dr. Claudia Schneider Design und Layout: Britta von Heintze Bildnachweis (Titelbild, Weltkarte): ESO/Nicolas Blind, Britta von Heintze