Landschaft der Forschungsinfrastrukturen

Landschaft der
Forschungsinfrastrukturen
aLMa – auge ins kalte universum
Landschaft der forschungsinfrastrukturen: aLMa, stand august 2016
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ALMA – Auge ins kalte Universum
auf einer hochebene in chile stehen in über 5000 Metern höhe über dem Meeresspiegel die 66 antennen des
aLMa-observatoriums. aLMa steht für „atacama Large Millimeter/submillimeter array“, also „anordnung für den
Millimeter-/submillimeterbereich in der atacama-Wüste“. Zusammen bilden die aLMa-instrumente das weltweit
größte teleskop für diesen Wellenlängenbereich, mit dem besonders das „kalte universum“ beobachtet werden
kann: gas- und staubwolken in unserer Milchstraße und galaxien am rande des kosmos.
Was für den Astronomen, der ALMA besuchen möchte,
ein körperliches Problem sein kann, ist für die Instrumente eine notwendige Voraussetzung: 5000 Meter
Höhe! Hier ist die Atmosphäre recht dünn, und gerade
über der trockenen Atacama-Wüste enthält sie nur
ganz wenig Wasserdampf. Unsere Erdatmosphäre
ist es nämlich, die den Blick auf Wolken aus kalten
Molekülen und Atomen im Universum trübt, wenn
man zu viel davon „vor der Linse hat“. Das ChajnantorPlateau ist der Standort von ALMA – eine Hochebene
fernab der Zivilisation. Bis zur nächsten Kleinstadt
sind es 50 Kilometer, die nächste Hafenstadt, die auch
eine Linienfluganbindung ermöglicht, ist Antofagasta
in 280 Kilometern Entfernung. Wegen dieses abgelegenen und hohen Standorts war der Aufbau des
ALMA-Observatoriums mit einem großen technischen
und körperlichen Aufwand verbunden: Alle Geräte,
Antennen und Baumaterialien mussten erst in die entlegene Gegend in Chile geschafft werden.
internationale Zusammenarbeit
ALMA ist ein Gemeinschaftsprojekt von Europa, den
USA, Kanada, Japan, Taiwan und dem Gastgeberland
Chile. Europas Anteil von 37,5 Prozent der Bau- und
Betriebskosten wird durch die Europäische Südsternwarte (ESO) aufgebracht, die zurzeit mit 23,1 Prozent
aus Bundesmitteln finanziert wird. Die gesamten Baukosten von ALMA betrugen rund 1,2 Milliarden Euro
(deutscher Anteil 120 Millionen Euro). Damit ist ALMA
das bisher kostenaufwendigste astronomische Observatorium auf der Erde. Es ist erheblich leistungsfähiger
als bisherige Einzelantennen-Submillimeterteleskope
oder andere Submillimeter-Anordnungen wie etwa
das Submillimeter-Array (SMA) auf Hawaii mit seinen
acht Antennen oder das Antennenfeld des Instituts
für Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM) in
den französischen Alpen, das bis zum Jahr 2019 auf
12 Antennen ausgebaut werden soll.
Das ALMA-Antennenfeld auf dem Chajnantor-Plateau in Chile in 5000 Metern Höhe, schematisch dargestellt.
Für die 66 Antennen gibt es viele mögliche Anordnungen. Die über hundert Tonnen schweren Apparaturen werden mit
zwei Spezialtransportern zu ihren Plätzen bewegt. Ein Großrechner, der zu den schnellsten der Welt zählt, setzt die
Messdaten des Antennenfeldes zu extrem scharfen Aufnahmen der kalten Komponenten des Universums zusammen.
(Bild: Britta von Heintze/Welt der Physik)
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Die Antennen von ALMA wurden zwischen 2009 und
2013 geliefert. Einmalig war dabei, dass drei verschiedene Antennentypen von den Partnerregionen Europa,
Nordamerika und Asien unabhängig voneinander entwickelt und gebaut wurden. Alle drei Typen erreichten
dabei die strengen technischen Leistungsvorgaben
des ALMA-Konsortiums.
Schon in den ersten Betriebsjahren gelangen mit ALMA
bahnbrechende Entdeckungen. Ein heraus­ragendes
Beispiel ist die Aufnahme einer soge­nannten proto­
planetaren Scheibe um einen jungen Stern. Darin sind
ringförmige Strukturen erkennbar, die wahrscheinlich
auf gerade im Entstehen begriffene Planeten zurück­
zuführen sind.
Die einzelnen Antennen können – je nach Beobachtungsziel – ganz kompakt innerhalb von nur 150 Metern
aufgestellt werden oder ganz weit verteilt mit Ab­
ständen von bis zu 16 Kilometern. Dadurch wirkt das
gesamte Antennenfeld wie ein gigantisches ZoomObjektiv.
Eine weitere Entdeckung in einer protoplanetaren
Staubscheibe gelang im Jahr 2015: Hier konnten große
Mengen von Molekülen gefunden werden, die aus
Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff zusammen­
gesetzt sind. Diese organischen Moleküle könnten die
Basis für lebensfreundliche Atmosphären extrasolarer
Planeten bilden. Weitere Untersuchungen können
in Zukunft vielleicht auch Hinweise auf Wasser oder
andere bei uns häufige Moleküle liefern.
Millimeter- und Submillimeter-Astronomie
Astronomen empfangen aus dem Weltall nicht nur
sichtbares Licht in ihren Teleskopen auf der Erde –
also Licht, das wir mit unseren Augen wahrnehmen
können. Andere Wellenlängenbereiche wie etwa Radio­
wellen, Ultraviolett- oder Röntgenlicht enthalten
wei­tere wichtige Informationen über die Vorgänge im
Kosmos. Der Millimeter- und Submillimeterbereich,
den ALMA beobachtet, befindet sich zwischen den
Radiowellen und dem fernen Infrarotlicht, das fast
ausschließlich mit Weltraumteleskopen beobachtet
werden kann. Hier „leuchten“ besonders die kalten
Molekül- und Staubwolken im Kosmos, in denen
Sterne entstehen oder aus denen sich zu Beginn des
Universums Galaxien gebildet haben.
Die extrem gute Auflösung von ALMA wird im Vergleich mit der HubbleAufnahme der Region um HL Tauri klar. Erst im ALMA-Bild (rechts oben)
ist die Struktur der protoplanetaren Staubscheibe mit ihren Ringen
und Speichen auszumachen: Hier entsteht ein Planetensystem.
(Bild: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), ESA/Hubble and NASA, Judy Schmidt)
Während sich die protoplanetaren Staubscheiben,
die man mit ALMA beobachtet, in unserer Nachbarschaft innerhalb der Milchstraße befinden, sind andere
Forschungsobjekte fast so weit entfernt, wie es das
beobachtbare Universum zulässt: Galaxien, die sich
nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall
gebildet haben. Wir können sie heute noch in ihrem
frühen Zustand beobachten, weil das Licht von ihnen
mehrere Milliarden Jahre brauchte, um zu uns zu
gelangen. Dabei hat es seine Wellenlänge verändert:
Was damals als Infrarotlicht auf den Weg ging, ist nun
wegen der sogenannten Rotverschiebung im ALMAWellenlängenbereich von wenigen Millimetern zu beo­
bachten.
Mit den ALMA-Radioteleskopen und dem IRAM-Teleskop in Spanien
konnte ein internationales Astronomenteam unter Beteiligung des MaxPlanck-Institutes für Astronomie in Heidelberg erstmals die Temperaturen
großer Staubkörner im Außenbereich einer protoplanetaren Staubscheibe
vermessen. Sie sind nur 7 Grad wärmer als der Temperaturnullpunkt –
erwartet hatten die Astronomen eine Temperatur von 15 bis 20 Kelvin.
(Bild: Digitized Sky Survey 2/NASA/ESA)
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Mit ALMA werden in Zukunft somit Antworten auf
zwei grundsätzliche Fragestellungen gegeben werden
können: Die Entstehung der Galaxien und Sterne im
frühen Universum und die Mechanismen, die im heu­ti­
gen Universum zur Bildung von Sternen und Planeten­
systemen führen. Wir werden erfahren, wie unsere
Milchstraße und unser Sonnensystem entstanden,
und Hinweise darauf bekommen, ob unsere Erde ein
einmaliger Glücksfall im Universum ist, oder ob wir
noch andere bewohnbare Planeten um ferne Sterne
erwarten dürfen.
Spiegel, Schwertransport und schnelle Rechner
Die Spiegeloberfläche der ALMA-Teleskope besteht
aus Metallplatten, die mit einer Präzision von 25 Mikro­
metern (0,025 Millimeter) gefertigt sind. Diese im
Vergleich zu optischen Teleskopen relativ raue Oberfläche ist glatt genug, denn grundsätzlich müssen
die optischen Elemente nur etwa so genau sein wie
ein Bruchteil der benutzten Wellenlänge. Für Milli­
meterwellen im Beobachtungsbereich von ALMA
sehen die Spiegel genau so glatt aus wie die polierten
Spiegel der optischen Teleskope für Licht im Wellenlängenbereich unter einem Mikrometer.
Diese Spiegel werden mit der Mechanik sehr genau
gesteuert. Sie können in jede Richtung gedreht werden
und jeden Punkt am Himmel mit einer Genauigkeit
von 0,6 Bogensekunden ansteuern. Würde man einen
entsprechend langen Zeigestock daran montieren,
Mit einer Präzision von 0,025 Millimetern gefertigt sind die Oberflächen
der Teleskopspiegel. Die Mechanik erlaubt es, die Teleskope in jede Richtung zu schwenken, mit einer Richtungsgenauigkeit von rund einer halben
Bogensekunde. Jedes Teleskop wiegt über hundert Tonnen.
(Bild: ESO/B. Tafreshi, twanight.org)
könnte man damit in 15 Kilometern Entfernung einen
Golfball treffen.
Die einzelnen Teleskope von ALMA wiegen über einhundert Tonnen – und trotzdem werden sie im Routinebetrieb zwischen ihren einzelnen Positionen bewegt
und von Zeit zu Zeit bis ins 28 Kilometer entfernte
Wartungszentrum in einer Höhe von „nur“ 2900 Metern
über dem Meeresspiegel gefahren. Dabei sind die
Straßen nur teilbefestigt und besitzen nicht etwa eine
glatte Asphaltdecke.
Otto und Lore sind die Namen der beiden speziell für ALMA gefertigten
Schwertransporter. Sie werden benötigt, um die Teleskopantennen
zur Wartung in die fast 30 Kilometer entfernte Serviceeinrichtung
zu transportieren und um die Antennen gemäß den Anforderungen des
Beobachtungsprogramms mal enger zusammen, mal bis zu 16 Kilometer
weit verteilt zu platzieren. Dabei werden die über 100 Tonnen schweren
Messinstrumente nur mit dem Hebezeug des Fahrzeugs aufund abgeladen. (Bild: ESO/P. Martinez)
Die beiden Fahrzeuge zu entwickeln und zu bauen, die
mit diesen Herausforderungen im Routinebetrieb klar
kommen, war Aufgabe der deutschen Firma Scheuerle.
Entstanden sind „Otto“ und „Lore“, zwei Giganten,
die jeweils 130 Tonnen auf die Waage bringen. Sie sind
20 Meter lang, zehn Meter breit und sechs Meter hoch.
Mit ihrer ausgeklügelten Technik können sie die
hundert Tonnen schweren Antennen oder weiteres
Hebezeug auf- und abladen. Ihre Höchstgeschwindig-
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keit beträgt ohne Last 20 und mit Antenne im Huckepack noch beachtliche 12 Kilometer pro Stunde. Damit
dies sicher möglich ist, wurden für die 28 Reifen neue
Brems- und Sicherheitssysteme entwickelt. Und die
große Höhe, in der gearbeitet wird, macht sich doppelt
bemerkbar: Zum einen für den Fahrer, dessen Sitz so
geformt ist, dass er einen Sauerstofftank mitführen
kann, zum anderen für den Motor, der auf Meereshöhe
zwar 700 PS leisten könnte, in der großen Höhe aber
nur auf 450 PS kommt.
Doch nicht nur die Herausforderungen an die Maschinenbauer waren gewaltig. Um die Messdaten der
66 Antennen zu kombinieren und daraus ein zwei­
dimensionales Bild zu berechnen, ist ein sogenannter
Korrelator notwendig. Das ist ein leistungsfähiger
Computer, der die Datenströme der Teleskope so miteinander kombiniert, dass daraus ein einziges großes
Teleskop entsteht. Die Kombination besitzt dann –
je nach Anordnung der Spiegel – die Auflösung eines
Einzelteleskops von bis zu 16 Kilometern Durchmesser.
Ein Radioteleskop dieser Größe könnte man nicht
einfach bauen; erst der Trick mit dem Zusammen­
schalten ermöglicht einen solch riesigen Durchmesser
und damit eine hohe Auflösung.
benötigt viel Rechenkapazität, während die optische
Interferometrie mit geschickten Spiegel- und Linsenkombinationen durchgeführt wird. Für ALMA können
die Einzelteleskope nur rechnerisch zusammengeschaltet werden. Dafür wurde ein Spezialrechner entwickelt, der 17 Billiarden Rechenoperationen pro
Sekunde ausführt. Er besitzt beachtliche 134 Millionen
Prozessoren – zum Vergleich: Der schnellste Universal­
rechner der Welt zum Zeitpunkt der Fertigstellung
des ALMA-Korrelators kam auf 17,6 Billiarden Rechen­
operationen pro Sekunde mit nur 560 640 Prozessorkernen. Heute (Top-500-Liste 6/2016) ist der schnellste
Rechner etwa fünfmal so schnell mit etwa über
10,6 Millionen Prozessorkernen.
ALMA ist also in jeder Hinsicht in Technologietreiber:
Im Maschinenbau, in der Informationstechnik und
auch in anderen Gebieten wie etwa der Lasertechnik.
Die Investitionen Deutschlands in dieses internatio­
nale Gemeinschaftsprojekt tragen dazu bei, die Technologieführerschaft in diesen Bereichen auszubauen.
ALMA
Forschungsinfrastruktur der
naturwissenschaftlichen
Grundlagenforschung
Der ALMA-Korrelator war zum Zeitpunkt seiner Inbetriebnahme genauso
schnell wie der der damals schnellste Universalrechner: 17 Billionen
Rechenoperationen pro Sekunde kann er durchführen. Allerdings ist er
darauf spezialisiert, die Signale der 66 ALMA-Antennen zu einem interferometrischen Gesamtbild zusammenzufügen. Andere Aufgaben wie etwa
Klimasimulationen würden auf seinen 134 Millionen Prozessorkernen
nicht laufen. (Bild: ESO)
Die Messmethode, die dahintersteckt, ist die sogenannte Interferometrie. Sie wird schon seit einigen
Jahrzehnten bei Radioteleskopen und seit etwas mehr
als zehn Jahren bei optischen Teleskopen wie dem VLT
(„Very Large Telescope“) der ESO eingesetzt. Ersteres
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Steckbrief ALMA
Typ:
Teleskop-Anordnung
Technologie:
Millimeter- / Submillimeter-Teleskop
Standort:
Chajnantor-Plateau in der Atacama-Wüste, Chile
Betreiber:
Joint ALMA Observatory (übergreifende Projektleitung)
Baukosten:
1,2 Milliarden Euro
Deutscher Beitrag :
127 Millionen Euro an Baukosten
23,1 Prozent an Europäischer Südsternwarte (ESO)
Inbetriebnahme:
Erstes Licht („First Light“) am 30. September 2011
Wellenlängenbereich:
350 Mikrometer bis 10 Millimeter
(alle Bereiche, für die die Atmosphäre durchsichtig genug ist)
Größe der Antennen:
12 Meter Durchmesser (54 Stück)
7 Meter Durchmesser (12 Stück)
Ausdehnung des Messfeldes:
150 Meter (kompakte Anordnung) bis 16 Kilometer (weite Anordnung)
(zahlreiche Konfigurationen je nach wissenschaftlicher Anordnung möglich)
Spiegelmaterial:
Kohlefaserverstärkter Kunststoff und Aluminium (12-Meter-Antennen)
Stahl und Aluminium (7-Meter-Antennen)
Abdeckung des Himmels:
87% des gesamten Himmels können beobachtet werden
Winkelauflösung:
0,005 Bogensekunden bei 0,3 Millimetern Wellenlänge
(fünfmal besser als das Hubble-Weltraumteleskop)
Beteiligte Länder und Einrichtungen:
Europäische Südsternwarte (ESO), U.S. National Science Foundation (NSF),
National Institutes of Natural Sciences of Japan (NINS), NRC ( Kanada),
NSC und ASIAA (Taiwan), KASI (Südkorea) sowie das Gastgeberland Chile.
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Impressum
Dieser Artikel ist Teil der Webseite „Landschaft der
Forschungsinfrastrukturen“ (www.fis-landschaft.de),
die der Projektträger DESY im Auftrag des Bundes­
ministeriums für Bildung und Forschung gestaltet und
umsetzt. Auf der Webseite werden Großforschungs­
anlagen 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 85
22607 Hamburg
[email protected]
https://pt.desy.de
Stand:
August 2016
Redaktion:
Dr. Claudia Schneider
Design und Layout:
Britta von Heintze
Bildnachweis (Titelbild, Weltkarte):
ESO/C. Malin, Britta von Heintze/Welt der Physik
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