Bis an die Grenzen des Universums
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iram Institut de Radioastronomie Millimétrique Bis an die Grenzen des Universums Herausgegeben von IRAM © 2008 Unter der Leitung von: Pierre Cox Text und Redaktion: Karin Zacher Diese Broschüre ist ebenfalls in den Sprachen Englisch, Französisch und Spanisch erhältlich. Folgenden Personen möchten wir danken: Jérémie Boissier, Michael Bremer, Dennis Downes, Frédéric Gueth, Brigitte Indigo, Bernard Lazareff, Doris Maier, Gisela Matoso, Mary McClean, Roberto Neri, Jérôme Pety, Vincent Pietu, Bruno Pissard, Jean-Louis Pollet, Franz Punkt, Clemens Thum, Karl Schuster, Marc Torres und Jan Martin Winters Verwendung des Inhalts: Der Inhalt dieser Publikation darf für persönliche Zwecke kopiert, heruntergeladen oder ausgedruckt werden. Ausschnitte der Broschüre dürfen für Texte, Vorträge, persönliche Blogs, Internetseiten und Unterrichtsmaterialien verwendet werden – unter Vorbehalt der Erwähnung der Copyright-Rechte (Titel der Publikation, © IRAM). Anfragen zu öffentlichrechtlichen Verwendungen sind an IRAM zu richten. Verweise an Drittpersonen: Einige Elemente in dieser Broschüre können einen Verweis an eine Drittperson bzw. -partei enthalten, deren Copyright-Rechte zu berücksichtigen sind. Die Erlaubnis zur Verwendung dieses Materials, muss bei den jeweiligen Rechtsinhabern eingeholt werden. Entwurf und Gestaltung: rebusparis.com Gedruckt in Frankreich auf Symbol Freelife Papier, umweltfreundliches, FSC-zertifiziertes Bilderdruckpapier (Elemental Chlorine Free) mit hohen Anteilen ausgewählter wiederverwerteter Materialien 1 Bis an die Grenzen des Universums Institut für Radioastronomie im Millimeterbereich iram Institut de Radioastronomie Millimétrique 2 Auf den Spuren des unsichtbaren Universums IRAM ist ein internationales Forschungsinstitut für Radioastronomie, dessen Auftrag die Erforschung des Universums, seines Ursprungs und seiner Evolution ist. Die Forschungseinrichtung mit Sitz in Grenoble wurde 1979 von der deutschen Max-PlanckGesellschaft (MPG) und dem französischen Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) gegründet. 1990 durch das spanische Instituto Geográfico Nacional (IGN) erweitert, ist IRAM das Ergebnis einer erfolgreichen multinationalen Zusammenarbeit im Bereich der Radioastronomieforschung. Das Institut beschäftigt mehr als 120 Wissenschaftler, Ingenieure, Techniker und Verwaltungsangestellte und betreibt zwei Observatorien: Das 30-Meter-Teleskop auf dem Pico Veleta nahe Granada in Spanien und das Interferometer (sechs 15-Meter-Antennen) auf dem Plateau de Bure in den französischen Hochalpen. Beide Instrumente zählen zu den besten Radioteleskopen der Welt und sind heute die leistungsfähigsten Observatorien im Millimeterbereich. Spezialisiert auf den Empfang von Radiowellen im Millimeterbereich spielen MillimeterTeleskope eine entscheidende Rolle in der modernen Astronomie: Während von kosmischem Staub und interstellaren Wolken umgebene Objekte im Weltall für optische Instrumente unsichtbar sind, können sie genau diese Objekte aufspüren. Vielmehr erfassen ihre 3 Antennen die Radiowellen der Moleküle und Staubpartikel kosmischer Gebilde. Auf diese Weise dringen Forscher bis zu den entferntesten Galaxien vor, analysieren schwarze Löcher am Rande des uns bekannten Universums und verfolgen die kosmische Hintergrundstrahlung bis zu ihrer Quelle, dem Urknall, zurück. Gleichzeitig erlaubt dieser Astronomiezweig die Analyse interstellarer Moleküle und kosmischen Staubs, Schlüsselelemente für die Entstehung von Sternen und Galaxien – und damit für die Entwicklung des Universums. Führend in ihrem Gebiet, ermöglichen es die IRAM-Teleskope, die Grundbausteine interstellarer Materie nicht nur in unserem Sonnensystem ausfindig zu machen, sondern auch innerhalb der gesamten Milchstraße bis hin zu Galaxien in kosmischen Entfernungen. Die Andromeda-Galaxie (M31) in sichtbarem Licht und im Licht des Moleküls Karbonmonoxid, welches Regionen mit hohen Anteilen an molekularem Gas hervorhebt – mit anderen Worten mögliche aktive Sternentstehungsgebiete. Im Dienste dieser Forschung und der internationalen wissenschaftlichen Gemeinde entwickeln IRAM-Wissenschaftler und Ingenieure zudem speziell auf Radioastronomie im Millimeterbereich zugeschnittene Technik und Software. Die Laboratorien des Instituts decken den kompletten Bereich der Höchstfrequenz- und Terahertztechnologie ab: Von supraleitenden Detektoren über komplexe Empfängersysteme bis hin zu digitaler Hochgeschwindigkeitselektronik und spezialisierter Software zur Datenverarbeitung. Dabei stellt IRAM sein Fachwissen auch anderen Radioastronomiezentren zur Verfügung und beliefert deren Observatorien mit technisch hochspezialisierten Komponenten. Gleichzeitig unterhält das Institut erfolgreiche Partnerschaften mit mehreren nationalen und internationalen Weltraumforschungseinrichtungen wie ESA, NASA oder CNES und ist einer der wichtigsten Partner des internationalen Projektes ALMA, ein geplantes Radioobservatorium in der chilenischen Wüste. Dank seiner beiden hochmodernen Observatorien sowie seinem einzigartigen institutseigenen Know-how ist IRAM heute die weltweit führende Forschungseinrichtung für Radioastronomie im Millimeterbereich. 4 Das Abbild des Pferdekopf-Nebels im MillimeterWellenlängenbereich zeigt Dichte und Verteilung des molekularen Gases innerhalb des Nebels. Der berühmte Pferdekopf erinnert dabei mehr an den eines Seepferdchens. Interstellare Moleküle In dunklen Staubwolken wie dem bekannten Pferdekopf-Nebel wurden bis heute zahlreiche interstellare Moleküle entdeckt. Um sich selbst rotierend, emittieren interstellare Moleküle in Millimeter-Wellenlängen. Wie eine Art Fingerabdruck, strahlt dabei jede Art von Molekül in ihr ganz eigenen Frequenzen. IRAMs Observatorien operieren daher bei einer Wellenlänge von 3, 2, 1 und 0.8 Millimetern – vier atmosphärische Fenster, die für Frequenzen interstellarer Moleküle durchlässig sind. Ein Großteil der Radiowellen aus dem Weltall wird gleichwohl von Wasser in der Atmosphäre absorbiert, weshalb für die Institutsteleskope ein Standort in Höhenlage mit stabilem und möglichst trockenem Klima gewählt wurde. 5 Radioastronomie und die Grundbausteine des Weltalls Radioastronomie im Millimeterbereich ist ein noch recht junger Forschungszweig. Erst Ende der 1960er Jahre wurde es technisch möglich, Empfänger zu bauen, die sich als ausreichend sensibel erwiesen, Millimeter-Radiowellen aus dem Weltall einzufangen. Von da an entwickelte sich die Radioastronomie in diesem Gebiet allerdings sehr schnell zu einem tragenden Pfeiler in der Astronomieforschung. Entscheidend für den rapiden Bedeutungszuwachs der Radioastronomie war die Entdeckung zahlreicher interstellarer Moleküle, deren Strahlung – im Gegensatz zu dem für das menschliche Auge sichtbare Licht – nicht von interstellaren Staubwolken absorbiert wird. Wissenschaftlern eröffnete sich so die Möglichkeit, in ganz neue und unbekannte Regionen des Weltalls vorzudringen und vor allem auch kalte Materie, nur einige Grade über dem absoluten Nullpunkt, und schwach leuchtende kosmische Objekte zu untersuchen. Neben der spektakulären Entdeckung von Wasser im All spürten Radioastronomen dabei auch Moleküle auf, die auf der Erde nicht zu finden sind. Interstellare Moleküle sind deshalb so essentiell in der Astronomie- und Astrophysikforschung, weil sie notwendige Schlüsselkomponenten für die Evolution der Materie zwischen den Sternen darstellen. Die Grundbausteine der interstellaren Materie sind besonders in kosmischen Staubwolken anzutreffen, wo sie, für das Erkalten der Materie verantwortlich, eine wichtige Voraussetzung für die allmähliche und schrittweise Komprimierung der Wolke schaffen – ein Prozess, der zur Geburt eines oder sogar mehrerer Sterne führen kann. Die nicht zur Sternbildung benutzte Materie kreist anschließend in so genannten zirkumstellaren Scheiben um den jungen Stern herum. Durch chemische Reaktionen auf molekularer Ebene angeregt, entwickelt sich die interstellare Materie kontinuierlich weiter, bis hin zur Möglichkeit der Entstehung von Proto-Planeten. Die äußeren Hüllen eines sterbenden Sternes wiederum reichern das interstellare Milieu von neuem mit Molekülen und frischem Staub an. Strahlungen, wie die eines naheliegenden Sternes, setzen schließlich chemische Reaktionen auf den Oberflächen interstellarer Staubwolken in Gang, die zur Bildung komplexer Moleküle führen. Aus dem im Urknall entstandenen Wasserstoff, häufigstes Atom im Universum, sowie anderen, durch thermonukleare Verschmelzung innerhalb von Sternen gebildeten Atomen (wie Sauerstoff, Kohlenstoff oder Stickstoff ), formen sich so zuerst einfache Moleküle wie Karbonmonoxid, Methanol oder Ethanol, um anschließend komplexere Verbindungen zu bilden – einschließlich denjenigen, die am Anfang des Lebens stehen. Eine Art kosmischen Zyklus repräsentierend, durchwandert interstellare Materie auf diese Weise verschiedene Zustände. Die Radioastronomie im Millimeterbereich ist für die Erforschung dieses Kreislaufes von maßgeblicher Bedeutung und die beiden IRAM-Observatorien dafür mit richtungsweisender Technologie ausgestattet. O C Das Karbonmonoxid-Molekül (CO), eines der häufigsten Moleküle im interstellaren Milieu, erlaubt den Radioteleskopen kosmische Objekte noch am Rande des Universums aufzuspüren. N C H H N C H H Das Molekül Aminoacetonitril (NH2CH2CN), ein chemischer Verwandter und möglicher direkter Vorläufer einer Aminosäure, wurde mit Hilfe der IRAM-Teleskope nahe dem Zentrum der Milchstraße entdeckt. 6 Das 30-Meter-Teleskop auf dem Pico Veleta Das Tor zum Universum 7 IRAM besitzt die weltweit besten Instrumente der Radioastronomie im Millimeterbereich, darunter das Teleskop auf dem Pico Veleta in der spanischen Sierra Nevada. In vierjähriger Bauzeit zwischen 1980 und 1984 in einer Höhe von 2850 Metern über dem Meeresspiegel konstruiert, ist es mit seiner beeindruckenden Antenne von 30 Metern Durchmesser eines der größten und darüber hinaus das empfindlichste Radioteleskop im Millimeterbereich. Das Observatorium ist, was man in der Fachsprache der Astronomie ein single dish nennt, ein klassisches Einzelteleskop, und daher zur Erforschung ausgedehnter kosmischer Objekte geeignet, wie Galaxien und interstellare Wolken. Dank seiner großen Oberfläche verfügt das Teleskop über eine hohe Empfindlichkeit, was das Observatorium auch für die Beobachtung schwacher Quellen prädestiniert. Allein die Oberfläche seiner Teleskopschüssel ist mit einer Genauigkeit von 55 Mikrometern justiert, was der Feinheit eines menschlichen Haares entspricht. Indem das Teleskop auf eine bestimmte Quelle am Himmel ausgerichtet wird und diese durch langsame Nachführung schrittweise abgetastet wird, können in einem Rasterverfahren Bilder im Millimeterbereich von ganzen Galaxien erstellt werden. Das 30-Meter-Teleskop ist mit einer einzigartigen Auswahl von Empfängern ausgestattet, darunter eine Reihe von Einzelpixel-Empfängern, die bei Wellenlängen von 3,2,1 und 0.8 Millimetern operieren und zwei, im Bereich von einem Millimeter arbeitende Kameras: HERA, eine 9 PixelAnordnung zur Kartographierung molekularen Gases in weitläufigen kosmischen Nebelwolken und MAMBO, eine am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn entwickelte 117 PixelKamera zur Beobachtung von kosmischem Staub in naheliegenden interstellaren Wolken bis hin zu weit entfernten Galaxien. Ein zusätzlicher Vorteil des 30-Meter-Teleskops ist die Möglichkeit, mehrere Wellenlängen zur gleichen Zeit zu beobachten. Forscher können so detaillierte Sternkarten im Millimeterbereich anfertigen, nach noch unbekannten kosmischen Gebilden im Universum suchen oder interstellare Objekte nach neuen Molekülen und Staubemissionen durchforsten. Das 30-Meter-Teleskop ist heute eines der gefragtesten Radioteleskope auf der ganzen Welt. Mehr als 250 Astronomen kommen jedes Jahr auf den Pico Veleta, um dort ihre wissenschaftlichen Projekte zu realisieren. Die Anzahl der jährlichen Projektvorschläge ist so groß, dass weniger als die Hälfte von ihnen tatsächlich durchgeführt werden kann. Beobachtet wird 24 Stunden rund um die Uhr, 365 Tage im Jahr, weshalb das Gebäude neben der Antenne nicht nur einen Kontrollraum für das Teleskop enthält, sondern auch eine Küche sowie Schlaf- und Aufenthaltsräume für die Wissenschaftler und Institutsmitarbeiter. Besonders interessant ist das Observatorium in der Sierra Nevada auch deshalb, weil es einen Blick auf die südliche Hemisphäre des Himmels freigibt, wo sich das Zentrum unserer Galaxie erstreckt. 8 Das Interferometer auf dem Plateau de Bure Sechs Antennen lauschen dem Kosmos 9 Auch das zweite der IRAM-Teleskope, das Plateau de Bure Interferometer, ist ein Instrument der Superlative. In einer Höhe von 2550 Metern über dem Meeresspiegel auf einem flachen und weitläufigen Plateau in den französischen Hochalpen errichtet, besteht es aus sechs 15-Meter-Antennen, von denen jede einzelne mit hochsensiblen Empfängern ausgestattet ist. Ein speziell entwickeltes Schienensystem ermöglicht es, die Teleskope auf einer Nord-Süd- und einer Ost-West-Achse über eine Distanz von 760 Metern hin und her zu bewegen. Bei Beobachtungen agieren die sechs Antennen des Observatoriums wie ein einziges Teleskop, eine Technik, die in der Fachsprache Interferometrie genannt wird. Indem die Antennen auf eine Quelle im Weltall ausgerichtet werden und die von ihnen empfangenen Signale anschließend zusammengeschaltet werden, erhält man die räumliche Auflösung eines Einzelteleskops, dessen Durchmesser dem Abstand zwischen den Antennen entspricht – im Falle des IRAMInterferometers einem Teleskop von bis zu 760 Metern. Das IRAM-Observatorium besitzt damit eine derart detaillierte räumliche Auflösung, dass es in der Lage wäre, zwei nebeneinander liegende Ein-Cent-Münzen in fünf Kilometern Entfernung zu unterscheiden – was es zum empfindlichsten Interferometer der Radioastronomie im Millimeterbereich macht. Weil ein solch hochentwickeltes und komplexes Antennensystem schwer zu bedienen ist, werden die Beobachtungen auf dem Plateau de Bure ausschließlich von IRAM-Operateuren durchgeführt. Um ein komplettes Bild des Objekts im Weltall zu erhalten, nutzt man gleichzeitig die natürliche Rotation der Erde, welche die Antennen in ihrer Konfiguration langsam dreht und ihnen so ermöglicht, das Objekt am Himmel Schritt für Schritt abzutasten. Innerhalb von wenigen Stunden Beobachtungszeit kann so ein hochauflösendes Bild einer Quelle gezeichnet werden. Komplementär zum 30-Meter-Teleskop auf dem Pico Veleta, ist das Plateau de BureObservatorium damit prädestiniert für die Analyse von Feinstrukturen eines kosmischen Gebildes. Beide Instrumente ergänzen sich so auf hohem Niveau und machen IRAM unter Wissenschaftlern zu einem der meist frequentierten Institute weltweit. Gemeinsam mit anderen Radioteleskopen können die beiden Instrumente zu einem die ganze Erde umspannenden Interferometer zusammengeschaltet werden (Very Large Baseline Interferometry), was besonders für die Erforschung hell und intensiv leuchtender kosmischer Phänomene von großem Interesse ist, wie stark strahlende Materie um schwarze Löcher (Quasare) oder Sternenhüllen. Mit einer so hohen Bildauflösung, dass ein Golfball auf dem Mond entdeckt werden könnte, wird diese Technologie auch zur exakten Positionsbestimmung der tektonischen Platten auf der Erde oder zur Überprüfung von Satellitenbahnen genutzt. Auch der Bau des Observatoriums stellte eine große technische und logistische Herausforderung dar. Zehntausende Tonnen von Material sowie sämtliche zur Konstruktion notwendigen Maschinen galt es auf die Hochebene zu transportieren, insbesondere um das hochpräzise Schienensystem einzurichten. Heute kann die horizontale und vertikale Position der Antennen auf ihren Beobachtungsstationen auf den Bruchteil eines Millimeters genau bestimmt werden. Seit dieser Konstruktionsphase, die 1990 abgeschlossen wurde, ist das Observatorium auf dem Plateau de Bure in permanenter Entwicklung. Anfänglich nur aus drei Antennen bestehend, verdoppelte sich deren Zahl in nur zehn Jahren, und auch die Basislinien wurden in verschiedenen Erweiterungsphasen um nahezu das dreifache verlängert. Neue Empfängersysteme haben kürzlich die Leistungsfähigkeit der Antennen noch einmal erhöht. IRAM leitet mit diesen Entwicklungen eine neue Ära in der Forschungsgeschichte der Radioastronomie ein. 10 A Dekodierung der Signale aus dem Weltall B E C Auf die Paneele der Antenne treffend B, werden die Signale aus dem Kosmos A über den Subreflektor C gebündelt und in das Innere der Antenne weitergeleitet D, wo sich der Empfänger befindet E. Aufgrund der großen Entfernungen sind die Signale nur sehr schwach. Um das Signal zu verstärken, muss der Empfänger es zuerst in eine niedrigere Frequenz umwandeln. D Im Mischer F, Teil des Empfängers, wird das Signal aus dem Weltall deshalb mit einem für diesen Zweck produzierten lokalen Signal G überlagert, das eine benachbarte Frequenz zu der des Originalsignals hat. Dank dem supraleitenden Kontakt H (auch Tunneldiode genannt), essentielle Komponente des Mischers, erhält man schließlich die Differenz der beiden Ausgangsfrequenzen. Dieses Signal mit einer viel niedrigeren Frequenz kann jetzt verstärkt werden. E G F F H H 11 K HERA / IRAM 30m RT Millimeterwellen ~1 mm Infrarot ~10 µm Sichtbares Licht ~500 nm UV-Strahlen ~10 nm Röntgenstrahlen ≲1 nm NE – Region Spiral arm near 75” / 80” Interarm near 100” / 90” Interarm near 50” / 70” 0.15 J ≳10 cm L 12CO 2–1 in M51 0.2 Radiowellen 0.1 0.05 0 300 350 400 450 500 550 Velocity (km/h) Über ein Kabelnetzwerk bis ins Hauptgebäude I transferiert, bündelt der Korrelator J auf dem Plateau de Bure die Signale und befreit sie von störendem Hintergrundrauschen. Das 30-MeterTeleskop besitzt zur Signalverarbeitung einen so genannten Auto-Korrelator. Mit Hilfe spezieller Softwareprogramme können Wissenschaftler die empfangenen Signale in Datenform K übertragen und Bilder der Quelle im Millimeterbereich erstellen, wie das der Spiralgalaxie M51 L. I J K 12 Höchstfrequenz- und Terahertztechnologie in der Radioastronomie Die von Radioteleskopen empfangenen Signale aus dem Kosmos sind so schwach, dass man eine Galaxie über 13,7 Milliarden Jahre (etwa das Alter unseres Universums) hinweg beobachten müsste, um genügend Energie zu sammeln, eine einfache Glühbirne für 10 Sekunden zum Leuchten zu bringen. Das Signal einer Quelle im Weltall muss daher erst verstärkt werden, bevor es analysiert werden kann. Technisch ist dies bei derart kurzen Wellenlängen wie im Millimeterbereich jedoch schwierig. Der Empfänger eines Radioteleskops senkt daher zuerst die Frequenz des eingehenden Signals – ein Vorgang, der sich innerhalb des Mischers, Teil des Empfängers, abspielt: Von der Antenne zum Empfänger weitergeleitet, wird das kosmische Signal vom Horn aufgenommen und durch eine millimeterkleine, enge Tunnelröhre geschleust. Von diesem Tunnel, dem so genannten Wellenleiter, gelangt das Signal schließlich in den Mischer (nur einige Zentimeter groß). In den Mischerblocks findet die Umwandlung des Signals aus dem Kosmos statt. Die Blocks selbst werden mit einer 5-Achsen CNC Präzisionsfräsmaschine in der IRAM eigenen Werkstatt bearbeitet. Dort angekommen wird das Signal aus dem Weltall zuerst im Koppler mit einem lokal produzierten Signal vermischt, um anschließend auf die supraleitendende Tunneldiode zu treffen. Die Diode wiederum registriert die Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen: Ein drittes Signal, dessen intermediäre Frequenz so niedrig ist, dass es verstärkt werden kann. Mit dem Ziel, die beiden Eingangssignale voneinander zu trennen und die Arbeitsleistung des supraleitenden Kontakts zu optimieren, ist der Mischer außerdem mit speziellen supraleitenden Schaltkreisen versehen. Gemeinsam mit den ihn ergänzenden Komponenten, Koppler und Horn, wird der Mischer von IRAM-Ingenieuren und Technikern entwickelt, in der Werkhalle des Instituts mit Hilfe mikro-mechanischer Fertigungstechniken hergestellt und anschließend in den Laboratorien der Forschungseinrichtung zusammengesetzt. Die supraleitende Tunneldiode ist mit einer Größe von weniger als einem Mikrometer (ein tausendstel Millimeter) das Herzstück des Empfängers. Sie sorgt für die Weiterleitung des Signals aus dem Weltall innerhalb des Mixers, mit dem Ziel, es dabei so wenig wie möglich durch zusätzliches Hintergrundrauschen zu verfälschen. Die Diode besteht aus zwei Metallschichten, meist hochreines Niob, das einige Grade über dem absoluten Nullpunkt zum nahezu perfekten elektrischen Leiter ohne Widerstand und damit rauscharm wird. Speziell angefertigte und mit flüssigem Helium gekühlte Kryostatkammern halten deshalb die Empfängersysteme in den IRAM-Antennen auf konstanten -269C°. Die beiden Supraleiter-Schichten sind wiederum durch eine etwa einen Nanometer (ein millionstel Millimeter) dicke Isolatorschicht getrennt, die in 13 modernen Tunneldioden aus Aluminiumoxyd besteht. Das ankommende Signal bewirkt einen Transport der elektrischen Ladungen von einem Metallkontakt über die Isolationsschicht bis zum anderen gegenüberliegenden Metallkontakt – ein Vorgang, der in der Fachsprache als photonenunterstütztes Tunneln bezeichnet wird und den eigentlichen Empfangsprozess in einem Millimetersystem darstellt: Die Erfassung von Energie und Photonen des hereinkommenden Signals. Zur Herstellung und Weiterentwicklung der supraleitenden Tunnelkontakte betreibt IRAM ein eigenes Labor für Mikro- und Nanotechnologie, in dem neben modernen Beschichtungsverfahren unter Ultrahochvakuumsbedingungen auch mikrolithographische Methoden zur Strukturierung der Dioden zum Einsatz kommen. Das Institut ist damit in der Lage, Empfängersysteme für Millimeterastronomie herzustellen, die – lediglich durch unvermeidbares physikalisches Quantenrauschen beeinträchtigt – eine nahezu perfekte Signalübertragung gewährleisten. Als Spitzenreiter im Bereich der Höchstfrequenztechnologie entwickelt IRAM ebenfalls die Empfängersysteme für das in der südlichen Hemisphäre geplante Radioobservatorium ALMA. Die supraleitenden Tunneldioden sind nicht größer als ein Mikrometer im Quadrat. Im Reinraum hergestellt und in einen Mikrochip integriert, werden sie mit Hilfe eines speziellen UV-Klebstoffes im Mischerblock fixiert. 14 IRAMs digitales Universum Im Korrelator, der sich in einem der Kontrollsäle im Hauptgebäude des Observatoriums befindet und besonders in der Interferometrie eine zentrale Rolle spielt, laufen schließlich die Signale der verschiedenen Antennen zusammen. Mit einer Rechenleistung von 15 Teraoperationen (15 Tausendmilliarden) pro Sekunde, ist er in der Lage ein winzig kleines Signal aus dem von physikalischen Quanteneffekten und Umgebung verursachten Hintergrundrauschen herauszufiltern. Im Gegensatz zu diesem störenden Geräusch, das zufallsbedingt ist und stark variieren kann, ist das Signal aus dem Kosmos gewöhnlich stabil. Indem der Korrelator über Stunden und Tage hinweg eine Art Mittelwert der verschiedenen Geräusche berechnet, reduziert er das Rauschen und kann am Ende das von der Quelle stammende Signal herauskristallisieren. Dabei kompensiert er gleichzeitig die durch die Erdrotation hervorgerufene Signalverzögerung. Sämtliche dafür benötigten elektronischen Schaltkreise – darunter eine große Anzahl spezieller Siliziumchips – werden nur für diesen Zweck konzipiert und hergestellt. Darüber hinaus analysiert und klassifiziert der Korrelator simultan tausende von eingehenden Frequenzen, was es möglich macht, diese später einem bestimmten Molekül zuzuordnen. Parallel dazu berechnet er die temporären Verschiebungen zwischen den von unterschiedlichen Antennen kommenden Signalen und bestimmt so die genaue Position der Quelle am Himmel. Dafür misst wiederum eine spezielle elektronische Vorrichtung La Ge uf om ze e itu tr nt isc er he sc r hi ed Korrelator Signalverzögerung im Kabel 15 kontinuierlich und auf den hundertstel Millimeter genau die Längen der Kabel zwischen Antennen und Hauptgebäude. Um eine optimale Daten- und Signalübertragung zu gewährleisten, ist das Plateau de Bure unterirdisch mit einem Netzwerk hochentwickelter optischer Monomodefasern und Kabeln überzogen. Im Gegensatz zum Observatorium auf dem Plateau de Bure besitzt das 30-MeterTeleskop keinen Korrelator, sondern mehrere Spektrometer, die auf der Basis von Autokorrelation, analoger Filtration und FourierTransformation arbeiten. Insgesamt sind der Datenfluss und die Übertragungsgeschwindigkeit im Millimeterbereich der Radioastronomie mehrere hundert Mal größer als bei den besten existierenden Internetverbindungen. Für die komplexen Rechenleistungen des Korrelators sind ausgefeilte Computerprogramme verantwortlich, die von einer Expertengruppe IRAMs entwickelt werden. Seit mehr als 25 Jahren gehört das Institut zu den Spitzenreitern für die Konzeption und Weiterentwicklung von Software im Bereich der Radioastronomie. Kontrollprogramme – wie dasjenige zur Antennensteuerung – mussten von IRAMInformatikern und -Astronomen erst geschrieben werden, und zahlreiche weitere Programme – zur Verwaltung der wissenschaftlichen Beobachtungsprojekte, zur Datenverarbeitung und zur Archivierung aller bisher erhaltenen wissenschaftlichen Resultate – werden vom Ingenieurs-Team der Forschungseinrichtung ständig an die neuesten wissenschaftlichen und technischen Entwicklungen angepasst. Teile der von IRAM entwickelten Software werden vom Institut zudem frei zur Verfügung gestellt und von zahlreichen anderen Observatorien weltweit genutzt. IRAMs Forschung und Entwicklungen in jedem dieser Bereiche garantieren nicht nur die Ausstattung beider Observatorien mit absoluter Spitzentechnologie, sondern beeinflussen gleichzeitig auch andere anwendungsbezogene Bereiche, wie zum Beispiel bildgebende Verfahren in der Medizin, Hochleistungs-Kommunikationstechnologien, die Fernerkundung oder auch die Atmosphärenforschung. 16 13 Milliarden Jahre in die Vergangenheit Im Laufe der letzten 30 Jahre haben IRAMWissenschaftler und die Instrumente der Forschungseinrichtung für eine große Anzahl spektakulärer Entdeckungen gesorgt. Die Teleskope des Instituts lieferten sensationelle und einzigartige Bilder von Sternen in jedem Lebensalter, erfassten schwarze Löcher am Rande des Universums – die schon 870 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden – und ermöglichten die ersten detaillierten Aufnahmen von Scheiben um junge Sterne, in denen sich rasante chemische Prozesse abspielen und erste Vorläufer von Planeten vermutet werden. Darüber hinaus wurde die Mehrheit der Entdeckungen molekularen Gases in kosmologischer Ferne mit IRAM-Teleskopen gemacht. Wissenschaftler des Instituts und seiner Partnerorganisationen publizierten nicht nur bahnbrechende Studien über die Zusammensetzung von Galaxien und Entstehung von Sternen, sondern entdeckten etwa ein Viertel aller bis heute bekannten interstellaren Moleküle – ein entscheidender Beitrag zur Astrochemie und ein bedeutender Schritt in Richtung Exobiologie. Pionier der ersten Stunde, hat IRAM so die Forschung auf dem Gebiet der Radioastronomie im Millimeterbereich nachhaltig geprägt. Die Astrochemie (v. griech.: astron „Gestirn“ und vermutlich chymeia „[die Kunst der Metall-] Gießerei“ im Sinne von „Umwandlung“) befasst sich mit der Erforschung der chemischen Elemente im Universum. Ziel der Astrochemiker ist es, zu verstehen wie Moleküle sich bilden, wie sie miteinander und dem sie umgebenden interstellaren Milieu in Wechselwirkung stehen und wie sie wieder zerstört werden. Gleichzeitig trägt dieser Forschungszweig zu neuen Erkenntnissen über den Ursprung des Lebens im Universum bei. Von Kometen wie Hale-Bopp wird angenommen, dass sie die Entwicklung der Planeten in unserem Sonnensystem entscheidend beeinflusst haben. Tatsächlich konnten mit Hilfe der IRAM-Teleskope zahlreiche Moleküle im Innern Hale-Bopps nachgewiesen werden. Angesichts dieser molekularen Vielfältigkeit und Komplexität im Kern von Kometen schließen Wissenschaftler nicht aus, dass Kometeneinschläge auch organische Moleküle auf die Erde brachten. 17 Sternenzyklus Bipolare Ströme um den jungen Stern HH 211 Bei der Entstehung eines Sternes verdichten sich Gas und Staub derart, dass sich ein so genannter Proto-Stern bildet, in dessen Kern sich die Materie immer weiter zusammenzieht. Der Proto-Stern dreht sich dabei immer schneller um sich selbst und schleudert gleichzeitig einen Teil seiner Materie mit der unglaublichen Geschwindigkeit von 100 Kilometern pro Sekunde in das interstellare Milieu zurück. Die ausgestoßenen Materieflüsse werden in der Fachsprache bipolare Ströme genannt. HH 211 ist einer der Proto-Sterne, mit etwa ein Viertel Sonnenmasse, um den IRAM-Wissenschaftler ein solches Phänomen zum ersten Mal in der Forschungsgeschichte der Astronomie im Detail beobachten konnten. Unsichtbar für optische Instrumente, da sich Proto-Sterne meist innerhalb von interstellaren Wolken befinden, zeigt der rote Punkt in der Mitte des Bildes HH 211, genauer gesagt die ihn umgebenden Gas- und Staubemissionen. Ein wenig weiter weg sieht man den Einschlag und die Auswirkungen der bipolaren Ströme auf die sich um den Stern herum im interstellaren Milieu befindliche Materie. Eine neuerliche Beobachtung mit der verbesserten räumlichen Auflösung des Interferometers brachte sogar ein noch unerwarteteres Ergebnis hervor: Die bipolaren Ströme entfernen sich nicht – wie zuerst vermutet – linear von dem Proto-Stern, sondern agieren wiederum mit dem interstellaren Milieu und scheinen sich in mehrere Arme aufzuteilen. 18 Zirkumbinäre Scheibe im System GG Tauri Auch die nähere Untersuchung des jungen Doppelsternsystems GG Tauri durch IRAM-Wissenschaftler sorgte in der Forschungsgemeinde für Aufsehen. Wie vermutlich etwa die Hälfte aller stellaren Systeme, besteht es aus zwei sich umkreisenden Sternen – im Falle von GG Tauri von etwa zwei Drittel der Masse unserer Sonne. Als wirkliche Überraschung aber stellte sich der auf dem Bild deutlich sichtbare Ring heraus, der die einzige bis heute bekannte zirkumbinäre Scheibe darstellt. Aus interstellarer Materie bestehend, wurden seine inneren Ringe förmlich von den gegenseitig interagierenden Sternen ausgehöhlt, die den kosmischen Staub auf ihrem Weg einfach „aufgesaugt“ haben. In ganz ähnlichen Scheiben, die ebenfalls mit Hilfe der IRAM-Teleskope beobachtet werden können, bilden sich Planeten ‑ was den Astronomen einzigartige Möglichkeiten eröffnet, die Ursachen der Planetenentstehung näher zu untersuchen und die chemischen Prozesse zu analysieren, die zur Bildung von Sonnensystemen wie dem Unseren führen. Der Stern TT Cygni Abhängig von ihrer Masse beenden weniger bis durchschnittlich massive Sterne, wie unsere Sonne, ihre Existenz, indem sie ihre äußeren Schichten abwerfen, um sich anschließend in weiße Zwerge zu verwandeln. Das nebenstehende außergewöhnliche Bild ist auf dem Plateau de Bure entstanden und zeigt den Stern TT Cygni in eben diesem Stadium seiner Entwicklung. Indem das IRAM-Interferometer die Radiowellen des Moleküls Karbonmonoxid, Teil der ausgestoßenen Schicht, einfängt, macht es letztere für die Forscher sichtbar. Man sieht, wie sich die vor über 2000 Jahren abgeworfen Hülle von dem Stern entfernt. Eine später abgestoßene Schicht befindet sich noch in relativer Nähe um den Stern. Einmal ausgeschleudert, erkalten diese Schalen relativ schnell und bilden dabei eine große Anzahl von Molekülen und Staubpartikeln. Sterne am Ende ihrer Existenz stellen so wahre „Massenproduzenten“ von kosmischem Staub dar. Für die Forschung ergeben sich auf diese Weise unschätzbare Gelegenheiten, neue interstellare Moleküle zu entdecken, jedes davon ein neues Puzzlestück der Evolution des Universums. 19 Vom interstellaren Molekül zur Galaxie M51: Die Whirlpool-Galaxie Die Galaxie SMM J16359 Die über 27 Millionen Lichtjahre entfernte Whirlpool-Galaxie (M51) im Sternbild der Jagdhunde gehört neben dem Andromeda-Nebel (M31) zu den der Erde am nächstgelegenen Galaxien. SMM J16359 ist eine Galaxie, die man mehr als 5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und versteckt hinter anderen Galaxiehaufen eigentlich gar nicht sehen dürfte. Dank eines außergewöhnlichen astronomischen Phänomens, Gravitationslinseneffekt genannt, ist sie dennoch sichtbar. Dabei lenkt die Schwerkraft des hell leuchtenden Galaxiehaufens (oben rechts im Bild) zwischen Erde und SMM J16359 das Licht von letzterer derart ab, dass ihr Bild nicht nur verdreifacht, sondern insgesamt auch um mehr als 40 Mal vergrößert wird. IRAM-Wissenschaftler haben die erste vollständige Karte dieser Galaxie im Millimeterbereich erstellt. Mit dem 30-Meter-Teleskop konnten Verteilung, Dichte und Geschwindigkeit von Molekülen wie Karbonmonoxid exakt nachvollzogen werden. Auf diese Weise erhielten Forscher eines der seltenen kompletten Bilder einer Galaxie mit ihren Spiralarmen und deren Zusammensetzung aus atomarem und molekularem Gas. Die räumliche Konzentration des Moleküls Karbonmonoxid im Zentrum der Galaxie weist auf eine hohe Moleküldichte und damit auf ein aktives Sternentstehungsgebiet hin. Die erste globale Vision von M51 enthält ebenfalls Informationen über die Dynamik der Galaxie, deren eine Hälfte sich in Richtung des Beobachters ausdehnt, während sich die andere Hälfte von ihm weg bewegt. Durch Beobachtungen mit dem Plateau de Bure-Interferometer des in der Galaxie vielfach vorzufindenden Moleküls Karbonmonoxid konnten Wissenschaftler Rückschlüsse auf die tatsächlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften von SMM J16359 ziehen: Häufigkeit des Vorkommens, Dynamik und Masse des molekularen Gases lassen darauf schließen, dass SMM J16359 tatsächlich aus zwei miteinander kollidierenden Galaxien besteht. Bild i m Mi Optis llime ches terbe reich Bild 20 Technische Daten der IRAM-Teleskope Standort Höhe Geographische Länge und Breite Anzahl der Antennen Durchmesser der Antennen Gewicht pro Antenne Montierung Reflektorpaneele Durchmesser des Subreflektors Oberflächengenauigkeit Qualität der Nachführung bei Beobachtungen Frequenz- und Wellenlängenbereich 30-Meter-Teleskop Interferometer (6 x 15 Meter) Pico Veleta, Sierra Nevada, Spanien Plateau de Bure, Hochalpen, Frankreich 2850 Meter 2550 Meter 03:23:33.7 W / 37:03:58.3 N 05:54:28.5 E / 44:38:02.0 N 1 6 30 Meter 15 Meter 800 Tonnen 125 Tonnen Alt-Azimut-Stahlmontierung auf Betonsockel Alt-Azimut-Stahlmontierung auf Transportern mit eigenen Antriebsmotoren 420 Aluminium-Paneele auf Aluminium-Wabenstruktur 176 Aluminium-Paneele auf Aluminium-Wabenstruktur pro Antenne 2 Meter 1,5 Meter 55 Mikrometer 50 Mikrometer < 1 ⁄ 3600° (weniger als eine Bogensekunde) < 1 ⁄ 3600° (weniger als eine Bogensekunde) 80 bis 370 GHz / 3 bis 0.8 Millimeter 80 bis 370 GHz / 3 bis 0.8 Millimeter Dévoiler l’univers invisible 1 iram 2 3 45 6 7 8 9 Jusqu’aux confins de l’univers La radioastronomie et les éléments constitutifs de l’espace 13 14 11 10 15 Molécules interstellaires 16 18 19 26 27 23 24 25 28 29 30 31 20 21 22 La technologie des hautes fréquences en radioastronomie 32 L’univers digital de l’IRAM 33 13 milliards d’années dans le passé 39 17 Décoder les signaux de l’espace Six antennes à l’écoute du cosmos 34 35 36 37 Le cycle des étoiles 40 12 La porte de l’univers 38 De la molécule interstellaire à la galaxie 41 42 43 44 45 46 Fotos 1 : X-ray : NASA/CXC/CfA/D.Evans et al. ; Optical/ UV : NASA/STScI ; Radio : NSF/VLA/CfA/D. Evans et al., STFC/JBO/MERLIN ; 2 : IRAM ; 3 : © Rebus ; 4 : IRAM ; 5, 6, 7 : © Rebus ; 8 : IRAM ; 9, 10 : © Rebus ; 11: Optical : © 1998, 1999, 2000 Celestial Images ; millimetric : IRAM 12 : © Rebus ;13 : IRAM ; 14 : T.A.Rector (NOAO/AURA/ NSF) and Hubble Heritage Team (STScI/AURA/NASA) ; 15 : Représentations 3D Sven Thorwirth (MPIfR) / © Rebus ; 16 : Alexandre Beelen ; 17 : © Rebus ; 18 : © Rebus ; 19 : Bruno Pissard ; 20, 21 22, 23, 24, 25 : IRAM ; 26 : NRAO/AUI/NSF ; 27 : IRAM ; 28 : NASA/ JPL-Caltech/ Univ. of AZ/R. Kennicutt ; 29 : T.A.Rector and Monica Ramirez/NOAO/AURA/NSF ; 30 : NASA/ JPL-Caltech ; 31 : NASA/CXC/UMd./A.Wilson et al. ; 32 : IRAM ; 33 : © Rebus ; 34, 35 : IRAM ; 36, 37, 38 : © Rebus ; 39 : Wolfgang Brandner (JPL/IPAC), Eva K. Grebel (Univ. Washington), You-Hua Chu (Univ. Illinois Urbana-Champaign), and NASA ; 40 : Nicolas Biver ; 41, 42, 43, 44 : IRAM ; 45 : NASA, ESA, Richard Ellis and Jean-Paul Kneib ; 46 : IRAM. Institut de Radioastronomie Millimétrique 300 rue de la Piscine Saint-Martin d’Hères F-38406 France Tel: +33 [0]4 76 82 49 00 Fax: +33 [0]4 76 51 59 38 [email protected] www.iram.fr Institut de Radioastronomie Millimétrique Instituto de Radioastronomía Milimétrica Avenida Divina Pastora 7, Local 20 E-18012 Granada, España Tel: +34 958 80 54 54 Fax: +34 958 22 23 63 [email protected] www.iram.es Observatoire du Plateau de Bure Observatorio Radioastronómico de Pico Veleta Saint-Etienne-en-Dévoluy F-05250 France Tel: +33 [0]4 92 52 53 60 Fax: +33 [0]4 92 52 53 61 Sierra Nevada Granada, España Tel: +34 958 48 20 02 Fax: +34 958 48 11 49
