Very Large Telescope - FIS

Landschaft der
Forschungsinfrastrukturen
VLT – Einblicke in die Tiefen unseres Universums
LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: VLT, STAND JANUAR 2017
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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))
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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).
den 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.
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.
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
Um die Teleskope für eine Aufnahme auf einen bestimmten Punkt des Nachthimmels auszurichten, wer-
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 AtacamaWüste 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)
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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. 2004
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 Astrono-
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)
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minnen 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 90 000 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
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)
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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.
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.
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 Wis-
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senschaftler 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.
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Steckbrief VLT – Very Large Telescope
Typ:
Anlage von 8 astronomischen Teleskopen
(4 Haupt- und 4 Hilfsteleskope)
Technologie:
Spiegelteleskope für den optischen und Nahinfrarot-Bereich
Betriebsmodi:
a) Getrennt als Einzelteleskope
b) Kombination von bis zu 4 Teleskopen als Interferometer (VLTI)
Standort:
Cerro Paranal in der Atacamawüste, Chile, Höhe 2635 m
Betreiber:
European Southern Observatory (ESO)
Baukosten:
ca. 330 Millionen Euro
Deutscher Beitrag:
ca. 23 Prozent Beteiligung über ESO-Beitrag,
rund 76 Millionen Euro (zuzüglich ca. 28 Millionen Euro Verbundforschung seit 1993 für
Instrumentierung)
Inbetriebnahme:
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
Wellenlängenbereich:
Optisch / Nahinfrarot (300 Nanometer bis 2,4 Mikrometer)
Optisches Design:
Ritchey-Chrétien-Spiegelteleskop
Hauptteleskope:
Hauptspiegel:
8,2 Meter Durchmesser aus ZERODUR
Sekundärspiegel: 0,94 Meter Durchmesser aus Beryllium
Tertiärspiegel: 1,242 x 0,866 Meter (elliptisch) aus ZERODUR
Hilfsteleskope
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.)
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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:
Januar 2017
Redaktion:
Dr. Claudia Schneider
Design und Layout:
Britta von Heintze
Bildnachweis (Titelbild, Weltkarte):
Nicolas Blind/ESO;
Britta von Heintze/Projektträger DESY
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