GRAVITY+ läutet neue Ära der Interferometrie ein

Vier Hochleistungslaser verbessern die Beobachtungskraft des Paranal-Observatoriums der ESO

Anfang November wurden vier Laser über dem Standort Paranal der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile in den Himmel geschossen. Die Laser erzeugen jeweils einen künstlichen Stern, mit dessen Hilfe Astronomen die durch die Erdatmosphäre verursachte Unschärfe messen und anschließend korrigieren können. Der beeindruckende Start dieser Laser, jeweils einer von jedem der 8-Meter-Teleskope in Paranal, ist ein wichtiger Meilenstein des GRAVITY+-Projekts – einer bedeutenden Aufrüstung des Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der ESO, das von einem europäischen Konsortium unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) entworfen und entwickelt wurde. GRAVITY+ ermöglicht die Beobachtung lichtschwächerer Objekte als bisher und erweitert die Erfassung des Himmels durch das VLTI erheblich.

Das Very Large Telescope Interferometer (VLTI) kombiniert das Licht von vier einzelnen Teleskopen des Very Large Telescope (VLT) und nutzt dabei entweder die 8-Meter-Einzelteleskope oder die kleineren Hilfsteleskope mittels Interferometrie. GRAVITY+, entwickelt von einem Konsortium europäischer Institute unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) und unterstützt von der Max-Planck-Förderstiftung, dient als Upgrade für das VLTI und GRAVITY, ein Instrument, das in den letzten Jahren die Astronomie mit hoher Winkelauflösung revolutioniert hat. GRAVITY hat Präzisionstests der allgemeinen Relativitätstheorie mit dem Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße ermöglicht, Exoplaneten und junge stellare Objekte abgebildet und die Massen supermassereicher Schwarzer Löcher im gesamten Universum bestimmt. Mit GRAVITY+ wurden die Teleskope und der unterirdische Strahlkombinator nun umfassend modernisiert. Die kürzlich erfolgte Installation von Lasern an jedem der zuvor nicht ausgestatteten 8-Meter-Teleskope stellt einen – gut sichtbaren – Meilenstein des Projekts dar. Die Laser verbessern die Leistungsfähigkeit des weltweit leistungsstärksten optischen Interferometers noch weiter.

„Das VLTI mit GRAVITY hat bereits so viele unerwartete Entdeckungen ermöglicht, dass wir gespannt sind, wie GRAVITY+ die Grenzen noch weiter verschieben wird“, sagt Frank Eisenhauer, GRAVITY+-Projektleiter und Direktor am MPE.

Projektleitung beim MPE

Das MPE spielte eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von GRAVITY+ und leitete das Gesamtdesign. Das Institut entwickelte und installierte außerdem vier neue, hochmoderne Wellenfrontsensoren. Diese Sensoren werden zur Beobachtung der künstlichen Sterne verwendet, die durch die neu installierten Laserleitsterne erzeugt werden, und ermöglichen eine fortschrittliche adaptive Optikkorrektur für das VLTI. Diese Technik gleicht die durch die Erdatmosphäre verursachten Unschärfeeffekte aus, und GRAVITY+ stattet das VLTI mit modernsten Sensoren, Lasern und verformbaren Spiegeln aus. 

Vor der Installation des Lasers musste die Korrektur der atmosphärischen Sichtverhältnisse am VLTI auf helle natürliche Referenzsterne zurückgreifen. In den meisten Fällen gibt es jedoch keinen geeigneten Stern in der Nähe des interessierenden Ziels, was die Anzahl der beobachtbaren Objekte stark einschränkte. Mit den neuen Lasern können nun künstliche Sterne an jeder beliebigen Stelle am Himmel erzeugt werden. Das Laserlicht regt einen kleinen Punkt in einer Schicht aus Natriumatomen in der Atmosphäre an, etwa 90 Kilometer über der Erdoberfläche, und erzeugt so einen Laserleitstern. Dies erweitert den Beobachtungsbereich des VLTI erheblich und ermöglicht den Zugang zum gesamten südlichen Himmel. 

Vom galaktischen Zentrum bis zum Rand des Universums

Die Infrarotgruppe des MPE plant, die neuen adaptiven Optiksysteme mit Laserleitsternen für bahnbrechende Studien in zwei wichtigen Forschungsbereichen einzusetzen: dem galaktischen Zentrum und Quasaren im frühen Universum.

Im galaktischen Zentrum wird das Team dank der verbesserten Schärfe und Empfindlichkeit noch schwächere Sterne entdecken und verfolgen können, die das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße umkreisen – und damit den Weg für eine direkte Messung der Rotation des Schwarzen Lochs ebnen. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein rotiert die Raumzeit um das Schwarze Loch mit diesen mysteriösen Objekten und beeinflusst insbesondere die Umlaufbahnen von Sternen, die nahe genug herankommen – ein Bereich, den nur das VLTI untersuchen kann.

Die verbesserten Fähigkeiten werden es den Forschenden außerdem ermöglichen, das Gas, das schnell um supermassereiche Schwarze Löcher in weit entfernten Galaxien wirbelt, räumlich aufzulösen. Die Methode funktioniert über die gesamte kosmische Zeit hinweg und führt zu einer direkten Messung der Masse des Schwarzen Lochs. „Diese Verbesserungen ermöglichen Beobachtungen von Objekten im frühen Universum, weniger als ein paar hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Wir werden in der Lage sein, die Massen von Schwarzen Löchern präziser als je zuvor zu messen, und zwar zu einem kritischen Zeitpunkt, als sich Schwarze Löcher und ihre Wirtsgalaxien rasant entwickelten“, sagt Taro Shimizu, Astronom am MPE und Mitglied des Instrumentenkonsortiums. 

Zu Testzwecken wurde als erstes Ziel ein Cluster massereicher Sterne im Zentrum des Tarantelnebels ausgewählt, einer Sternentstehungszone in der Großen Magellanschen Wolke, einer Nachbargalaxie der Milchstraße. „Bereits diese ersten Beobachtungen zeigten, dass ein helles Objekt im Nebel, das als der massereichste bekannte Einzelstern galt, tatsächlich ein Doppelsternsystem aus zwei eng beieinander liegenden Sternen ist“, erklärt Guillaume Bourdarot vom MPE. Dies verdeutliche die beeindruckende Auflösungsleistung und das wissenschaftliche Potenzial des verbesserten VLTI. 

Insgesamt ist diese Verbesserung weit mehr als nur ein Update und wurde bereits vor Jahrzehnten ins Auge gefasst. Die Idee eines Laserleitsystems wurde 1986 erstmals vorgeschlagen, lange bevor das VLT und das VLTI überhaupt existierten. „Wenn es in der Praxis funktionieren würde, käme dies einem Durchbruch gleich“, hieß es im Abschlussbericht des „Very Large Telescope Project“, dessen Mitautor der MPE-Direktor und Nobelpreisträger Reinhard Genzel war. Mit GRAVITY+ ist dieser Durchbruch nun Realität geworden. 

Lasershow am Paranal
Bilder: A. Berdeu/ESO

Das GRAVITY+-Konsortium besteht aus folgenden Partnern:

• Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE); Max-Planck-Institut für Astronomie; Universität zu Köln (Deutschland)
• Institut National des Sciences de l'Univers, Französisches Nationales Zentrum für wissenschaftliche Forschung; Institut für Planetologie und Astrophysik Grenoble; Laboratoire d’instrumentation et de recherche en astrophysique (LIRA); Lagrange Laboratory; Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (Frankreich)
• Instituto Superior Técnico’s Centre for Astrophysics and Gravitation (CENTRA); Universität Lissabon; Universität Porto (Portugal)
• Universität Southampton (Großbritannien)
• Katholieke Universiteit Leuven (Belgien)
• University College Dublin (Irland)
• Instituto de Astronomia – Universidad Nacional Autónoma de México (Mexiko)
• Europäische Südsternwarte (ESO)