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  • Das Projekt MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer)

    Roland BACON, Shehan BONATZ



    Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist die einzige Galaxie, bei der wir alle Bestandteile im Detail erforschen können. Ihre wichtigsten sichtbaren Komponenten sind die über 100 Milliarden Sterne, der interstellare Staub und das interstellare Gas; dazu kommt die unsichtbare und nur indirekt nachweisbare „Dunkle Materie“. Allerdings sagen uns Beobachtungen dieser Bestandteile unmittelbar nicht darüber, wie das Milchstraßensystem entstanden ist. Inzwischen kann man mit Hilfe aufwändiger Computersimulationen die Entstehung und Entwicklung von Galaxien wie unserer Milchstraße quasi nachvollziehen. Obwohl solche „virtuelle Galaxien“ unserer Milchstraße bereits recht nahe kommen, gibt es eine Vielzahl konkurrierender Modelle und Szenarien und etliche unerklärte Phänomene. Wir müssen zugeben, dass wir immer noch nicht gut verstehen, wie sich unsere Galaxie vor etwa 10-12 Milliarden Jahren gebildet, und wie sie sich seither entwickelt hat.


    The Andromeda Galaxy
    The Andromeda Galaxy
    The Andromeda Galaxy (Messier 31) is a giant spiral galaxy, slightly more than 3 millions light years away, which resembles our own Galaxy, the Milky Way.


    Die Beobachtung junger Galaxien unmittelbar nach ihrer Entstehung ist notwendig, um unter den zahlreichen Modellen das richtige zu finden und unser Verständnis ihrer Entstehung und Entwicklung zu verfeinern. Solche Galaxien liegen so weit entfernt, dass ihr Licht Milliarden von Jahren benötigt hat, um uns zu erreichen: Der tiefe Blick ins All erlaubt es uns also Objekte so zu sehen, wie sie vor langer Zeit erschienen. Die Zeitreise zu Galaxien wenige Milliarden Jahre nach dem Urknall stellt hohe Anforderungen an die Beobachtungstechnik. Derart weit entfernte Galaxien erscheinen auf der Erde als verschwindend blasse Lichtpunkte.

    The VLT at Paranal (Chile)
    The VLT at Paranal (Chile)

    Die heutigen Riesenteleskope wie das Very Large Telecope (VLT) mit seinen über 8 Meter großen Spiegeln können erheblich mehr Licht sammeln als ihre Vorgänger. Dennoch sind hoch entwickelte Beobachtungsmethoden nötig, um die wenigen Photonen einzufangen, die von den jungen, weit entfernten Galaxien zu uns gelangen. Mit MUSE, einem neuen Instrument für das VLT, will die Europäische Südsternwarte (ESO) diese Herausforderung meistern. MUSE ist ein sogenannter „Integralfeldspektrograph“, der auf einer Reihe innovativer, technischer Entwicklungen basiert. Doch bevor wir uns dem Instrument selbst zuwenden, sollten wir uns klarmachen, welchem Zweck es dient.

    Junge Galaxien bestehen aus jungen Sternen. Beobachtungen neu entstandener Sterne in der Milchstraße zeigen, dass diese äußerst hohe Leuchtkräfte besitzen. Beobachtet man sie mit Filtern, die nur eine bestimmte Farbe (Wellenlänge) durchlassen, variiert ihre Helligkeit jedoch stark. Tatsächlich emittieren solche Galaxien einen wesentlichen Teil ihres Lichts in einer geringen Zahl bestimmter Emissionslinien (wenn Astronomen von einer „Linie“ - oder genauer „Spektrallinie“ - sprechen, meinen sie einen schmalen Bereich im Farbspektrum): Die meisten dieser Linien stammen von Wasserstoffatomen, dem häufigsten Element im Universum und dem Hauptbestandteil der Sterne. Man erwartet deshalb, dass das Licht junger Galaxien vornehmlich die Emissionslinien des Wasserstoffs enthält. Statt eine Kamera zu benutzen, die Licht aus einem breiten Spektralbereich sammelt, also verschiedene Farben mischt, kann man die Empfindlichkeit erhöhen, wenn man sich auf wenige Linien konzentriert. So können die Astronomen ihre Lichtausbeute deutlich steigern und die gesuchten, kaum sichtbaren Galaxien aufspüren.


    Hubble Ultra Deep Field (HUDF)
    Hubble Ultra Deep Field (HUDF)
    The Hubble Ultra Deep Field is today the deepest image of the Universe. It contains galaxies that are older than 10 billions years.


    Um eine bestimmte Farbe gesondert zu beobachten, wird üblicherweise ein Farbfilter verwendet, der nur einen schmalen Wellenlängenbereich durchlässt, etwa den einer Wasserstofflinie. Unglücklicherweise ist dieses Vorgehen nur effektiv, wenn der Farbfilter auf die exakte Wellenlänge der Wasserstofflinie zentriert ist. In der Praxis sind die Linien jedoch zu längeren Wellenlängen „rotverschoben“, hervorgerufen durch die Expansion des Universums; dieser Effekt ist je nach Entfernung der Objekte unterschiedlich stark. Daher ist es praktisch unmöglich, den idealen Farbfilter für die Entdeckung junger Galaxien zu wählen. Eine potenziell flexiblere Methode ist die Verwendung eines Spektrographen. Ein Spektrograph spaltet Licht in einzelne Farben bzw. Wellenlängen auf, so dass sich seine Intensität bei allen Wellenlängen gleichzeitig messen lässt. Damit lassen sich die Wasserstofflinien auch dann finden, wenn ihre Wellenlänge vorher nicht bekannt ist. Ein herkömmlicher Spektrograph hat jedoch nur eine sehr kleine Öffnung und muss exakt auf das Beobachtungsobjekt ausgerichtet werden. Um den Nachthimmel großflächig abzusuchen, eignet sich ein solcher Spektrograph deshalb nicht, da die Positionen der Galaxien am Himmel vor der Beobachtung noch nicht bekannt sind.


    Atomic Hydrogen Spectrum
    Atomic Hydrogen Spectrum


    Diese Überlegungen verdeutlichen die Herausforderung, vor der die Astronomen stehen: Wie lassen sich junge Galaxien entdecken, wenn weder ihre Position am Himmel, noch die Wellenlänge ihrer rotverschobenen Wasserstofflinien bekannt sind? Eine Antwort bietet das Konzept der Integralfeld- oder 3D-Spektroskopie, das über 20 Jahren am Centre de Recherche Astrophysique de Lyon in Frankreich erfunden wurde. Es vereint die Vorteile großflächiger Aufnahmen und spektroskopischer Messungen. So können gleichzeitig über das gesamte Gesichtsfeld des Teleskops Spektren aufgenommen werden. Integralfeldspektrographen liefern Daten in drei Dimensionen, zwei für die Position am Himmel und eine für die Wellenlänge. Auf diesem Konzept basiert der Multi-Unit Spectroscopic Explorer, kurz MUSE (mehr unter Technologie). Um mit dem neuen Instrument möglichst große Himmelsbereiche beobachten zu können, wird es nicht nur mit einem, sondern mit 24 identischen Spektrographen ausgerüstet. Mit einer neuartigen Technologie wird das einfallende Licht aufgefächert und an die Spektrographen verteilt. Wie bereits erwähnt, erscheinen die Galaxien, nach denen die Wissenschaftler suchen, aufgrund ihrer enormen Entfernungen winzig. MUSE verfügt über ein System, das Bildstörungen aufgrund von Luftbewegungen in der Erdatmosphäre in Echtzeit korrigiert; dieses Prinzip heißt „Adaptive Optik“. Mit MUSE wird die Beobachtung von Galaxien möglich, die uns 100 Millionen mal blasser erscheinen als die schwächsten mit bloßem Auge sichtbaren Sterne. Doch selbst bei Beobachtungen mit MUSE an einem der 8-Meter-Teleskope des VLT werden Hunderte von Stunden nötig sein, um verwertbare Informationen über die weit entfernten Objekte zu erhalten.


    Windows Media - 31.4 Mb
    Representation 3D de l’instrument MUSE

    MUSE ist ein weltweit einzigartiges und ehrgeiziges Projekt, das von sieben großen europäischen Forschungseinrichtungen getragen wird. Die beteiligten Institutionen sind: Das Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (Frankreich), das Astrophysikalische Institut Potsdam und das Institut für Astrophysik in Göttingen (Deutschland), die Sternwarte Leiden (Niederlande), das Laboratoire d’Astrophysique de Tarbes-Toulouse (Frankreich), das astrophysikalische Institut der ETH Zürich (Schweiz) und die Europäische Südsternwarte (ESO).



    Das MUSE-Konsortium vereint über hundert Wissenschaftler und Ingenieure, deren Fachwissen auf den Gebieten Optik, Mechanik, Elektronik, Tieftemperaturtechnik, Datenverarbeitung, Projekt-Management und experimentelle und theoretische Astrophysik alle Anforderungen abdeckt, die Bau und Betrieb dieses einzigartigen Instruments stellen. Einzelheiten finden Sie unter Konsortium, und Teams.

    Wenn das VLT in Chile im Jahr 2012 zum ersten Mal Licht auf das Instrument lenkt, dessen Entwicklung bereits 2004 begann, wird eine spannende Jagd nach den jüngsten Galaxien einsetzen. Sie soll die fundamentalen Rätsel beantworten, die die Frühphasen der Galaxienentstehung und -entwicklung den Astronomen immer noch aufgeben. MUSE wird jedoch auch für andere Gebiete der Astrophysik ein äußerst nützliches Instrument sein. So plant das MUSE-Konsortium etwa, die Umgebung massereicher schwarzer Löcher zu erforschen, die vermutlich im Zentrum der meisten Galaxien zu finden sind. Ferner sollen benachbarte Galaxien mit hoher Genauigkeit untersucht werden, um Aufschlüsse über die Sterne zu gewinnen, aus denen sie bestehen (mehr dazu unter Forschung). Insbesondere erhält auch die gesamte wissenschaftliche Nutzergemeinschaft der ESO Zugang zu Beobachtungen mit MUSE. Mit seiner außergewöhnlichen Leistungsfähigkeit verspricht MUSE ein verbessertes Verständnis verschiedenster astronomischer Objekte im Universum.


    Computer simulation of a 3D deep field MUSE exposure.
    Computer simulation of a 3D deep field MUSE exposure.
    Galaxies are coloured according to their distance (the redder the farest).