Ein Multi-Objekt-Spektrograf für das weltweit größte Teleskop

Mit einem Spiegeldurchmesser von knapp vierzig Metern wird das derzeit im Bau befindliche European Extremely Large Telescope das größte optische Teleskop der Welt sein. Im Rahmen der Verbundforschung entwerfen Wissenschaftler einen Multi-Objekt-Spektrografen für das neue Observatorium: Mit diesem innovativen Instrument können Astronomen das Licht von Hunderten von Himmelsobjekten gleichzeitig untersuchen.

Das European Extremely Large Telescope, kurz E-ELT, das derzeit in der chilenischen Atacamawüste entsteht, ist ein Teleskop der Superlative. Während die heutige Generation von Großteleskopen wie das Very Large Telescope in Chile einen Spiegeldurchmesser von rund zehn Metern aufweisen, wird der Spiegel des E-ELT einen Durchmesser von 39 Metern besitzen – zusammengesetzt aus fast 800 einzelnen sechseckigen Spiegelsegmenten. Der viermal größere Spiegel bedeutet eine 16-mal größere Lichtsammelfläche für sichtbares und infrarotes Licht. Das E-ELT wird dadurch sehr viel lichtschwächere Objekte beobachten können als derzeit möglich.

2024 soll das Teleskop der Europäischen Südsternwarte in Betrieb gehen. Astronomen möchten es vor allem einsetzten, um extrasolare Planeten zu erforschen. Denn mithilfe des E-ELT lassen sich große Planeten direkt abbilden und vielleicht sogar ihre Atmosphären analysieren. Da das Observatorium extrem lichtschwache Objekte abbilden kann, wollen Forscher auch Galaxien aus der Frühzeit des Universums untersuchen. Auch die Erforschung der intergalaktischen Materie, also dem Staub und Gas zwischen Galaxien, steht auf der Liste der wissenschaftlichen Ziele für das E-ELT. Darüber hinaus planen Wissenschaftler, die beschleunigte Ausdehnung des Universums zu messen.

Ausgeklügelte Technik für scharfe Sicht

Die neuen Beobachtungsmöglichkeiten, die das E-ELT bietet, gehen allerdings nicht allein auf die riesige Lichtsammelfläche zurück, wie Martin Roth vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam betont. „Die 16-fache Vergrößerung der Lichtsammelfläche bedeutet nicht automatisch, dass wir auch 16-fach bessere Wissenschaft machen können“, sagt er. Dazu bedarf es noch weiterer Technik. Denn obwohl der Nachthimmel in der chilenischen Atacamawüste so klar und dunkel wie kaum an einem anderen Ort dieser Welt ist, sorgt die Erdatmosphäre nach wie vor für Störeffekte: Winzige Luftunruhen reduzieren die Schärfe der Aufnahmen je nach Wellenlänge erheblich.

Um diese Verzerrungen durch die Atmosphäre so weit wie möglich auszugleichen, setzen Astronomen eine adaptive Optik ein: Die einzelnen Spiegelsegmente des E-ELT lassen sich so verformen, dass sie die atmosphärischen Störungen gerade kompensieren. „Erst durch die Kombination der riesigen lichtsammelnden Fläche mit der Möglichkeit solcher scharfen Bilder durch die adaptive Optik wächst der wissenschaftliche Gewinn“, bestätigt Roth.

Testsegmente für den Hauptspiegel des E-ELT

Die geplanten Instrumente am E-ELT spielen dabei natürlich ebenfalls eine zentrale Rolle. Das Herzstück bilden Spektrografen, die das Licht der aufgenommenen Himmelsobjekte in seine Spektralfarben zerlegen. Auf diese Weise können Astronomen die Intensität des Lichts bei verschiedenen Wellenlängen messen und anhand von charakteristischen Linien im Lichtspektrum auf die chemische Zusammensetzung der Objekte schließen – beispielsweise welche chemischen Elemente in einem Stern oder der Atmosphäre von Exoplaneten enthalten sind oder ob sich komplexe organische Moleküle in einer Gas- und Staubwolke befinden.

Herkömmliche Spektrografen können nur jeweils einzelne Punkte oder Linien am Himmel abbilden. Für einen einzelnen Stern oder eine Galaxie ist das zwar kein Hindernis. Doch viele wissenschaftliche Fragestellungen verlangen heute nach großen Stichproben. „Die Zeiten, in denen Forscher einzelne Objekte sehr stark fokussiert betrachtet haben, sind vorbei. Darüber hinaus stehen wir unter starkem Druck, die kostbare Zeit an den Teleskopen effizient zu nutzen, schließlich kostet eine einzige Beobachtungsnacht Zehntausende von Euro“, erläutert Roth. Eine Antwort auf diese Bedürfnisse ist die sogenannte Multi-Objekt-Spektroskopie. „Die Multi-Objekt-Spektroskopie gehört zu den größten Errungenschaften der modernen Astronomie“, so der Forscher. „Mit ihr können wir nicht nur eine Galaxie spektroskopieren, sondern hundert oder sogar zweihundert Galaxien gleichzeitig“.

Martin Roth ist Leiter des Verbundprojekts E-ELT-MOS, in dem Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Astrophysik in Potsdam sowie der Universität Göttingen zusammenarbeiten, um einen Multi-Objekt-Spektrografen, kurz MOS, für das E-ELT zu entwerfen. „Um mehrere Spektren aufzunehmen, bohrt man an den Stellen, an denen die Himmelskörper durch das Teleskop abgebildet werden – vereinfacht gesagt – Löcher in eine Platte“, erklärt Roth die Funktionsweise des Multi-Objekt-Spektrografen. „Dahinter bringt man Fasern an, die das Licht leiten und zum eigentlichen Spektrografen transportieren. Es geht also darum, für jede Aufnahme die Lichtleitfasern an jene Stellen zu bringen, an denen man die Abbildungen der Himmelskörper erwartet.“ Derzeit entwickeln Roth und seine Kollegen für diese Aufgabe einen sogenannten Faserpositionierer., der die Fasern für jede Aufnahme automatisch an die richtige Stelle bringt.

Erfunden für die Astronomie, genutzt in der Medizin

Da die Astronomen für jedes Objekt eine einzelne Faser verwenden, messen sie – wie bei der herkömmlichen Spektroskopie – die Lichtspektren einzelner Bildpunkte. Dadurch stößt die Methode schnell an ihre Grenzen. Das ist etwa bei ausgedehnten Himmelskörpern wie Galaxien der Fall: Diese erscheinen nicht punktförmig am Himmel und so braucht es mehr als nur einen einzelnen Bildpunkt, um diese Sternsysteme in einer Aufnahme komplett abzubilden. „Je nach Bereich enthält eine Spiralgalaxie etwa vom Alter her ganz unterschiedliche Sterne. Deshalb reicht es nicht aus, eine Faser des Spektrografen auf ihren Zentralbereich zu richten und zu hoffen, dadurch eine Beschreibung der Sterne etwa in den Spiralarmen zu gewinnen“, sagt Roth. „Die komplette räumliche Überdeckung solcher ausgedehnten Objekte wird durch Faserbündel ermöglicht, und das ist ein ganz wesentliches Merkmal von E-ELT-MOS.“ Dabei stellt jede einzelne Faser in dem Bündel ein Bildpunkt dar. Anders als bei dem Bild einer Digitalkamera enthalten diese Pixel aber jeweils ein gesamtes Spektrum – mit nur einer Aufnahme lässt sich ein Himmelsobjekt so in zahlreichen unterschiedlichen Wellenlängen untersuchen.

3D- und Multi-Objekt-Spektroskopie

Doch nicht nur die Astronomie profitiert von der im Rahmen der Verbundforschung durchgeführten Forschung. Auch ganz neue Anwendungsgebiete werden dadurch eröffnet. Im Bereich der Medizin und Lebenswissenschaften könnte dieses besondere spektroskopische Verfahren etwa bei der Krebsdiagnostik zum Einsatz kommen. Prinzipiell lassen sich organische Gewebe mithilfe von spektroskopischen Verfahren bereits jetzt unterscheiden. „In der heutigen Krebsbehandlung, etwa bei Gebärmutter- oder Blasenkrebs, untersucht man das Organ endoskopisch und der Arzt entscheidet sich für eine Biopsie an der entzündlichen Stelle. Er kann aber nicht sofort sehen, ob dieses Gewebe krankhaft ist oder nicht“, erklärt Roth.

Und so muss das Gewebe erst in einem Labor spektroskopisch untersucht werden, wozu das Gewebe derzeit noch Bildpunkt für Bildpunkt abgetastet wird. „Darüber hinaus weiß der Operateur bei einer anschließenden Operation nicht genau, wo das befallene Gewebe endet und das gesunde Gewebe beginnt“, sagt Roth. Deshalb hofft der Wissenschaftler, die bildgebende Spektroskopie bald auch auf diesem Gebiet einsetzen zu können – denn diese Technik könnte es Ärzten letztlich sogar erlauben, Tumore bereits während eines Eingriffs von gesundem Gewebe zu unterscheiden. „Idealerweise untersucht man das Gewebe mithilfe der bildgebenden Spektroskopie endoskopisch und kann sofort die Grenzen des Tumors sehen. Man müsste also nur einmal operieren und könnte darüber hinaus die Metastasenbildung reduzieren“, betont Roth. „Somit könnten wir die jahrelange Entwicklungsarbeit der Astronomie auch für andere Zwecke nutzbar machen.“