„Einzigartiges Instrument für die Astronomie“

Welt der Physik: Um was für ein Teleskop handelt es sich bei 4MOST?

Roelof de Jong

Roelof de Jong: Es ist ein sogenanntes Survey- oder Durchmusterungsteleskop, das den Himmel abrastern soll. Solche Teleskope haben einen großen Öffnungswinkel – im Gegensatz zu anderen Teleskopen wie etwa dem James-Webb- oder Hubble-Weltraumteleskop, die nur einen bestimmten Punkt sehr scharf anvisieren können. Ein Durchmusterungsteleskop sieht also einen sehr viel größeren Bereich des Himmels, kann diesen aber nicht so scharf abbilden. Dafür können wir tausende Objekte gleichzeitig spektroskopisch vermessen.

Wozu nutzt man solche Teleskope?

Durchmusterungsteleskope dienen insbesondere dazu, astronomische Kataloge zu erzeugen, beziehungsweise zu ergänzen. Man möchte gerne von jedem Objekt möglichst viele Daten – egal ob von einem nahegelegenen Stern aus unserer Milchstraße oder einer weit entfernten Galaxie. Nun sind ja schon viele Millionen Sterne und Galaxien bekannt, aber von den meisten Objekten hat man nur eine sehr grobe Kenntnis. 4MOST soll das ändern, indem es von Millionen von Objekten sehr gute Spektren liefert – also das von ihnen ausgesandte Licht genauestens analysiert. Anhand der Spektren lassen sich beispielsweise Informationen über die Temperatur der Objekte oder über ihre chemische Zusammensetzung gewinnen.

Warum befindet sich 4MOST in der chilenischen Atacama-Wüste?

Die Beobachtungsbedingungen dort sind mit die besten der Welt. Der Himmel ist ruhig und in mehr als dreihundert Nächten pro Jahr klar. Und von dort aus, in der Südhemisphäre, kann man sowohl das Zentrum unserer eigenen Galaxie als auch etwa die Magellanschen Wolken beobachten. Wenn wir endlich mehr über diese Regionen erfahren, können wir daraus viel über die Entwicklung unserer eigenen Galaxie und ähnlicher Galaxien lernen.

In der Nähe von Cerro Paranal sollte ja auch ein Industriestandort für erneuerbare Energien entstehen. Das würde die Beobachtungsbedingungen der dortigen Teleskope massiv einschränken, oder?

Genau, diese Planungen hatten größte Besorgnis in der weltweiten Astronomiegemeinde ausgelöst. Es war schlicht unverständlich, warum man ausgerechnet dort einen solchen Industriepark bauen wollte, in unmittelbarer Nähe zum wohl wichtigsten Teleskopstandort auf der Welt. Zum Glück wurde dieses Projekt kürzlich abgesagt, sodass wir alle aufatmen können. Das hätte ja nicht nur uns betroffen, sondern vor allem das Very Large Telescope mit seinen vier großen Teleskopen und noch dazu das derzeit in Bau befindliche Extremely Large Telescope.

Wie ist 4MOST technisch beschaffen?

4MOST

Mit einem Spiegeldurchmesser von vier Metern ist es schon ziemlich lichtstark, zählt aber nicht zu den ganz großen Teleskopen. Wir mussten auch nicht das ganze Teleskop neu bauen, sondern nur die Optik. Denn wir haben das VISTA-Teleskop umgebaut, dessen Technik mittlerweile etwas in die Jahre gekommen war. Dann haben wir die Optik ausgetauscht und unter anderem ein neues Weitwinkelobjektiv integriert, wodurch das Blickfeld noch einmal verdoppelt wurde. Und dann haben wir die alte Kamera ausgetauscht gegen das neue Instrument, mit dem wir nun gleichzeitig über 2400 Spektren von verschiedenen Objekten aufnehmen können.

Wie ist das möglich?

Eine normale Kamera kann so hochaufgelöste Spektren nicht liefern, deshalb braucht man sogenannte Spektrografen. Wir haben drei davon, wobei jeder mit gut 800 Glasfasern verbunden ist. Anstelle von Kameras befinden sich in der Spiegelebene die Enden der Glasfasern, die das Sternenlicht dann direkt zu den Spektrografen führen. Jede dieser Fasern wird vollautomatisch von kleinen Motoren an den richtigen Ort bewegt, um ein bestimmtes Objekt aufzunehmen. So lassen sich innerhalb von zehn bis zwanzig Minuten die Spektren von rund 2400 Objekten aufnehmen. Innerhalb weniger Minuten werden danach die Glasfasern auf neue Ziele eingestellt und gegebenenfalls das Teleskop geschwenkt. Dann folgen die nächsten 2400 Objekte für weitere zehn Minuten. So lassen sich bei guten Beobachtungsbedingungen rund 10 000 Objekte pro Stunde vermessen, und mehrere Zehntausend pro Nacht.

Wie ist es möglich, eine derart große Anzahl von Beobachtungszielen sinnvoll auszuwählen?

Ein Mensch oder auch ein Team von Menschen kann das unmöglich leisten. Stattdessen haben wir ein großes Team von Expertinnen und Experten, das an Softwareprogrammen arbeitet und Algorithmen entwickelt, die uns diese Arbeit abnehmen. Dabei kommt auch maschinelles Lernen zum Einsatz, um aus vielen Millionen Objekten die interessantesten auszuwählen – darunter sind bekannte Sterne, Weiße Zwerge, Galaxien oder Quasare, also aktive Galaxienkerne. Das Teleskop setzt diese Empfehlungen dann vollautomatisch um.

Erste Beobachtungen mit 4MOST

Was passiert dann mit den aufgenommenen Daten?

Die aufgenommenen Spektren werden nach Cambridge geschickt und dort an einem astronomischen Rechenzentrum wiederum durch Algorithmen ausgewertet. Die Daten werden dann zu den bekannten Sternkatalogen hinzugefügt und der Wissenschaftsgemeinschaft zur Verfügung gestellt. Die Software macht uns auch darauf aufmerksam, ob sich in diesem Datenschatz ungewöhnliche oder seltene Objekte verstecken. Diese schauen wir uns natürlich genauer an, beziehungsweise vergleichen sie mit Aufnahmen von anderen Teleskopen.

Was sind denn astronomische Fragen, die sich mit 4MOST untersuchen lassen?

4MOST ist für eine Vielzahl von Fragestellungen geeignet – von der Erforschung unserer eigenen Galaxie bis hin zu weit entfernten Galaxien und Quasaren in der Frühzeit des Kosmos. Ein besonderes Augenmerk liegt aber auf den Sternen der Milchstraße und nahegelegenen Zwerggalaxien, wie den Magellanschen Wolken. Wir suchen dabei zum Beispiel nach sehr alten Sternen, die so wenig wie möglich durch Material aus Supernovae angereichert wurden. Daraus können wir einiges über die chemische Evolution lernen, also über die Entstehung und Verteilung der verschiedenen Elemente in unserer Galaxie. Und wir suchen nach Sternströmen, die von Zwerggalaxien stammen, die sich unsere Milchstraße irgendwann in der Vergangenheit einverleibt hat. Diese kann man anhand ihrer elementaren Zusammensetzung sowie ihrer Dynamik erkennen. Das lehrt uns ebenfalls einiges über die Struktur unserer Galaxie.

Lassen sich mit 4MOST auch Exoplaneten entdecken?

Nein, für den Nachweis von Exoplaneten ist das Instrument nicht gebaut worden. Dafür gibt es andere Teleskope mit ganz anderen Eigenschaften. Aber wir können trotzdem zur Exoplanetenforschung beitragen. Denn dank der vielen Spektren können wir die Sterne, bei denen Exoplaneten gefunden wurden, mit anderen, ähnlichen Sternen vergleichen. Uns interessiert dabei die Frage, wie Sternsysteme sich entwickeln – also welche Planeten typischerweise zu welchen Sternen gehören. Dazu gilt es, wie überall in der Astronomie, Daten von unterschiedlichen Teleskopsystemen zusammenzuführen. Wir sind jedenfalls hochgespannt, endlich die Kapazitäten von 4MOST für die Wissenschaftsgemeinde bereitzustellen. Das Instrument ist bereits fertig installiert und in Erprobung, bald geht auch die wissenschaftliche Datennahme los.