Ein Himmel ohne Flimmern

Ein Interview mit der Astronomin Tanya Urrutia

Am Very Large Telescope gelingen vielfach bessere Bilder als mit Hubble. Mit einem recht neuen Instrument treiben Astronomen diese Entwicklung nun ins Extreme.

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Ein Bild sagt mehr als tausend Worte: Mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) haben Forscher ein Bild des Neptun aufgenommen, das vielfach schärfer ist als eine vergleichbare Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops. Und das, obwohl sich oberhalb des Observatoriums noch eine dünne, aber störende Atmosphäre befindet. Die Effekte der Luftunruhe konnten die Astronomen nun dank ausgeklügelter Technik ausgleichen – und gleichzeitig die Fähigkeiten eines recht neuen Instruments vorführen: den Multi Unit Spectroscopic Explorer, kurz MUSE.

Weltraumreporter Karl Urban sprach mit Tanya Urrutia vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam über das neue Instrument und was damit möglich ist. Die Astronomin bereitet MUSE mit einem Team seit einigen Jahren auf die wissenschaftliche Arbeit vor.

Karl Urban: Was ist MUSE?

Tanya Urrutia: MUSE ist ein Spektrograf, der quasi dreidimensionale Aufnahmen liefert. Er macht nicht einfach nur schöne Bilder vom Himmel. Was die Astronomen stattdessen viel mehr interessiert, ist das Spektrum eines Objekts. Denn das sagt etwas über die chemische Zusammensetzung aus oder wie weit entfernt das Objekt ist. Oder es sind sogar Rückschlüsse auf die Bewegung des Objekts möglich.

Normalerweise erhält man so ein Spektrum, indem man das Sternenlicht durch einen Schlitz schickt, bevor es auf den Kamerachip fällt. Aber dann bekommt man zunächst nur ein eindimensionales Spektrum von einem ganzen Objekt. Die 3D-Spektroskopie fügt beides zusammen: Sie ermöglicht viele Spektren aus einem Bild. Das heißt, zu jedem Pixel auf dem Kamerachip im Bild gibt es ein Spektrum. Das Besondere an MUSE ist nun, dass es sich um den größten Integralfeld-Spektrografen weltweit handelt.

Was bedeutet groß – kann es einfach sehr viele Pixel gleichzeitig aufnehmen?

Viele Pixel stimmt schon einmal: Man hat 300 mal 300 Pixel, bekommt also aus einem Bild 90.000 Spektren. Dazu kommt aber noch etwas anders: Die ersten Integralfeld-Spektrografen, die man entwickelt hatte, konnten grob 10 mal 10 Pixel aufnehmen. Durch das Zusammenschalten von 24 Integralfeldspektrografen ist es uns jetzt möglich, ein Gesichtsfeld von einer Quadrat-Bogenminute zu erreichen.

Tanya Urrutia ist Astronomin am Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam und arbeitet am Very Large Telescope: Im Hintergrund das Gebäude für einer der vier 8-Meter-Spiegel.
Tanya Urrutia ist Astronomin am Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam und arbeitet am Very Large Telescope: Im Hintergrund das Gebäude für einer der vier 8-Meter-Spiegel.
Tanya Urrutia

Das entspricht gerade dem Dreißigstel eines Vollmonddurchmessers?

Das klingt bestimmt nicht sehr groß. Aber frühe 3D-Spektrografen hatten Gesichtsfelder von gerade einmal fünf mal fünf Bogensekunden! Hier haben wir also einen richtigen Sprung gemacht, so dass man inzwischen sogar sogenannte tiefe Durchmusterungen machen kann, also Aufnahmen mit sehr langer Belichtungszeit. Beispielsweise kann man das Hubble Ultra Deep Field durchmustern, bei dem das Hubble-Teleskop viele weit entfernte Galaxien aufgenommen hat. Jetzt kann man nicht nur solche schönen Bilder dieser Galaxien machen, sondern man erhält für jedes Pixel auch spektroskopische Informationen dazu.

"Die Atmosphäre ist ein Problem"

Sie bereiten derzeit den sogenannten Nahfeld-Modus von MUSE für den wissenschaftlichen Einsatz vor, mit dem Sie besonders scharfe Bilder aufnehmen können. Aber auch in der Atacama-Wüste in Chile gibt es eine Atmosphäre. Wie ist es gelungen, jetzt vielfach bessere Bilder zu machen, als es mit dem Hubble-Teleskop möglich ist?

Die Atmosphäre ist ein Problem: Wenn Sie durch eine Kerzenflamme gucken, sehen Sie, wie alles dahinter verschwimmt. Diese Luftunruhe nennen die Astronomen Seeing. Die Luft bewegt sich im Bereich von einer Bogensekunde. Dadurch erscheint ein Stern, der eigentlich eine Punktquelle ist und keine Ausbreitung hat, ganz verschwommen.

Das ist das Flackern der Sterne.

Genau. Aber dann haben sich einige KollegInnen in den 80er und 90er Jahren etwas Neues ausgedacht: die adaptive Optik. Wenn wir wissen, wie das Abbild eines Sterns ohne Atmosphäre aussehen würde, dann können wir den Effekt der Atmosphäre korrigieren.

Am VLT gibt es vier Laser, die künstliche Sterne an den Himmel projizieren.

Ja, diese erscheinen durch die Luftunruhe aber verschwommen. Jetzt kann man ein Modell der Atmosphäre verwenden und damit zurückrechnen, wie dieser künstliche Stern und somit der Rest des Himmelsausschnitts ohne Atmosphäre aussehen würde.

Ergänzung der Redaktion: Der zweite wesentliche Bestandteil der adaptiven Optik sind verformbare Spiegel. Aus dem Atmosphärenmodell rechnet ein Computerprogramm aus, wie sich die Teleskopspiegel verformen müssen, damit das Abbild des künstlichen Sterns und damit auch dasjenige eines anderen Himmelsobjekts trotz Luftunruhe scharf erscheint.

Links Neptun mit dem Very Large Telescope, adaptiver Optik und im MUSE-Nahfeldmodus, rechts die beste, aber viel unschärfere Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops
Der Vergleich: Links Neptun mit dem Very Large Telescope, adaptiver Optik und im MUSE-Nahfeldmodus, rechts eine Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops

Das aktuelle Neptunbild von MUSE wurde im sogenannten Nahfeld gemacht: Also mit einem recht kleinen Himmelsausschnitt. Für größere Ausschnitte funktioniert diese Technik nicht so gut?

Natürlich kann man auch im Weitfeld-Modus von MUSE die adaptive Optik einsetzen, aber dessen Gesichtsfeld ist mit einer Bogenminute recht groß. Und da lässt sich die Atmosphäre noch nicht wirklich ausschalten, sondern nur ein bisschen korrigieren. Wenn man sie wie bei unserem Neptunbild richtig korrigieren will, muss man drei Dinge in Kauf nehmen: Das ist das kleine Gesichtsfeld, also den Nahfeldmodus von MUSE. In diesem Modus kann man nur gut ein Prozent des großen Gesichtsfelds anschauen. Zweitens braucht man entweder einen recht hellen Stern, ein ausgedehntes Objekt wie den Neptun oder eine helle Galaxie, um Sekundäreffekte der Atmosphäre zu berücksichtigen. Drittens können wir solche guten Bilder und 3D-Spektren nur schwer von allzu diffusen Objekten machen, da deren einfallendes Licht durch die adaptive Optik zu stark abgeschwächt wird. Bei Sternhaufen funktioniert es noch recht gut. Aber wenn wir speziell die Gasdynamik in einer Galaxie studieren wollen, ist es komplizierter und das Ergebnis vielleicht nicht ganz so überzeugend.

"Bis heute hat aber niemand ein solches Schwarzes Loch in einen Sternhaufen gefunden."

Sicher fragen sich viele Leute bei solchen Bildern wie nun von Neptun, ob wir noch Weltraumteleskope brauchen. Und da kann man sicher sagen: Ein Großteil der Strahlung aus dem All durchdringt die Atmosphäre ja gar nicht, etwa UV-, Röntgen oder Gammastrahlung. Aber ich höre heraus: Auch im sichtbaren Licht ist das "Ausschalten" der Atmosphäre mittels adaptiver Optik kein Patentrezept. Neue Weltraumteleskope wie das voraussichtlich 2021 startende James Webb Telescope werden weiter gebraucht?

Auf jeden Fall. Wir freuen uns alle auf das James Webb Telescope. Denn der Nahfeldmodus von MUSE ist wirklich nur unter ganz bestimmten Bedingungen wichtig. Wir erwarten, dass im wissenschaftlichen Betrieb rund fünf Prozent der Zeit dafür genutzt wird. Die meisten Astronomen werden weiterhin den Weitfeldmodus von MUSE benutzen. Und das James Webb Telescope wird eine gute Ergänzung für unseren Nahfeldmodus sein.

Welche Objekte wären denn interessant, die man nur im Nahfeldmodus beobachten kann?

Da sind zum Beispiel planetarische Nebel: Das sind Sterne im Endstadium ihrer Entwicklung, deren Gashüllen sich immer wieder ausdehnen und zusammenziehen. Das hängt mit verschiedenen Brennzyklen zusammen. Solche schönen Bilder werden Sie sicher bald sehen. Für Astronomen ist diese Dynamik allerdings auch sehr interessant, um die Physik dahinter zu studieren. Ebenso interessant sind Kugelsternhaufen: Bei denen wird vermutet, dass sie in ihren Zentren Schwarze Löcher besitzen. Diese müssten allerdings deutlich kleiner sein als jene im Kern von Galaxien, vielleicht zwischen 1.000 bis 10.000 Sonnenmassen schwer. Bis heute hat aber niemand ein solches Schwarzes Loch in einen Sternhaufen gefunden.

Wie könnte man denn mit MUSE diese recht kleinen Schwarzen Löcher aufspüren?

Das Schwarze Loch selbst ist natürlich nicht sichtbar. Dafür könnte man sich dank des 3D-Spektrografen die Bewegung anhand des Doppler-Effekts in den Spektren der einzelnen Sterne ansehen.

Die Spektrallinien werden also ins Rote verschoben, wenn sich Sterne von uns wegbewegen - und ins Blaue, wenn sie auf uns zukommen. Wie beim Martinshorn eines Polizeiautos, dessen Tonhöhe sich verändert, wenn es an uns vorbeirast.

Genau! Wir können also sehen, dass sich bestimmte Gruppen von Sternen von uns fort bewegen und andere auf uns zukommen. Und dadurch kann man die Dynamik der Sterne im Kugelsternhaufen erschließen. Wenn es ein Schwarzes Loch in dessen Zentrum gibt, ist die Dynamik ganz anders als wenn es nicht da ist.

Very Large Telescope mit vier hellen Lasern, die in den Himmel leuchten.
Vier 22-Watt-Laser regen Natrium-Atome in der Atmosphäre an und erzeugen rund um das aktuell beobachtete Himmelsfeld künstliche Sterne, die durch das Flimmern der Luft verzerrt werden. Diese Verzerrung wird gemessen und ermöglicht es den Astronomen, das Flimmern der Luft aus dem Bild herausrechnen.

Es klingt so, als könnte MUSE schon bald ein sehr gefragtes Instrument am VLT sein.

Es gibt sehr viele Instrumente auf den vier VLT-Teleskopen. MUSE ist mit einem anderen Instrument gemeinsam das meistgefragte Instrument überhaupt. Es ist schon jetzt ungefähr neunfach überbucht.

Es gibt also neunmal mehr Anträge, mit MUSE zu beobachten, als es Beobachtungszeit gibt!?

Bei Hubble liegt diese Quote bei zwölf zu eins. Dort ist es also noch ein bisschen schwieriger.

Das heißt aber auch, eine AstronomIn braucht schon eine sehr gute wissenschaftliche Idee, um mit dem Instrument Daten sammeln zu dürfen. Ist Planetenbeobachtung wie jetzt bei Neptun überhaupt so relevant – kennt man die Gasriesen in unserem Sonnensystem nicht gut genug?

Ich bin keine Planetenforscherin. – Natürlich bekommt man mit so einem Bild die chemische Zusammensetzung. Aber im Grunde ist das nichts, was wir noch nicht verstanden hätten.

Wie steht es um kleine Monde, um die etwas passiert: etwa der vulkanisch sehr aktive Jupitermond Io, auf dem erst kürzlich ein neuer Vulkan entdeckt worden ist?

Wir haben tatsächlich im April versucht, Io zu beobachten. Aber da hat die adaptive Optik kurzzeitig nicht funktioniert. Monde wie Io oder auch der Saturnmond Enceladus sind natürlich viel interessanter als die Wolkenbänder von Neptun. Dazu kommt, dass Planeten wie Saturn und Jupiter ohnehin schon zu groß sind für den Nahfeldmodus von MUSE. Die lassen sich also gar nicht so gut beobachten.

Ich habe noch eine Frage zur Zukunft: Derzeit wird von der ESO das Extremely Large Telescope (ELT) in den Anden errichtet, das mit einem 39 Meter großen Spiegel aus hunderten Einzelsegmenten arbeiten soll. Wird es dafür auch ein Instrument ähnlich wie MUSE geben?

Ja, es gibt einen 3D-Spektrografen namens HARMONI, der voraussichtlich ebenso wie MUSE die adaptive Optik verwenden soll. Allerdings wird das beim ELT viel komplizierter.

Warum?

Das liegt vor allem an der komplizierten Lichtverteilung des ELT. Denn bei ihm wird das Licht einige Male hin-und her reflektiert, bevor es die Instrumente erreicht. Allerdings würde ich nicht sagen, dass es unmöglich ist. Es ist nur sehr kompliziert, diese ganzen Korrekturen ständig auszurechnen. Aber inzwischen sind die Computerprogramme für die Korrektur sehr gut. Deshalb kann ich mir nicht vorstellen, warum das nicht klappen sollte.

Vielen Dank für das Gespräch!

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