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  • Aufbau von MUSE und technische Herausforderungen

    Lutz WISOTZKI, Roland BACON, Shehan BONATZ



    Im folgenden wird ein Überblick über die Entwicklung des MUSE-Instruments und die damit verbundenen technischen Herausforderungen gegeben.

    Damit MUSE seine wissenschaftlichen Ziele erreichen kann, wurde es als Integralfeldspektrograph mit großen Sichtfeld und adaptiver Optik konzipiert.

    Ein Integralfeldspektrograph (oder eine Integralfeldeinheit) ist darauf angelegt, für jeden Punkt auf einer zweidimensionalen Fläche am Himmel spektrale Informationen zu liefern, also in einer dritten Dimension, der Farbe oder Lichtwellenlänge. Ein klassischer Spektrograph mit schmalem Öffnungsspalt kann dagegen immer nur einen einzelnen Punkt am Himmel betrachten. Da Integralfeldspektrographen dreidimensionale Informationen liefern, werden sie auch als 3D-Spektrographen bezeichnet. Solche Systeme sind zweistufig: Das Licht durchläuft zuerst eine auf die räumlichen Eigenschaften des Bildes wirkende Stufe, die das Lichtsignal ausrichtet und aufteilt, und dann eine spektrale Stufe, in der das Licht in einzelne Farben aufgespalten und auf den Detektor gelenkt wird. Die räumliche Stufe ist dabei entscheidend, ihre Funktion lässt sich mithilfe verschiedener Technologien, etwa Linsen-Raster, Glasfasern oder Strahlfächer, realisieren. MUSE wird als Weitwinkel-Integralfeldspektrograph bezeichnet, weil es für ein sehr großes Blickfeld ausgelegt ist. Je größer das Blickfeld, desto mehr Galaxien kann MUSE erfassen und damit mehr Daten liefern. Im Allgemeinen ist die Größe des Blickfelds eines Integralfeldspektrographen durch die Größe der Optik und des Detektors begrenzt. Um diese Einschränkungen zu umgehen, umfasst das MUSE-Instrument nicht nur einen einzigen, sondern 24 Spektrographen.

    Laser beaming out from one of the VLT telescope.
    Laser beaming out from one of the VLT telescope.
    The sky above Paranal on 21 July 2007 with one sodium laser in operation. Credits: ESO

    MUSE wird unterstützt durch ein System zur adaptiven Optik, dass das Winkelauflösungsvermögen des VLT erhöht, indem es Bildstörungen durch Luftbewegungen in der Erdatmosphäre in Echtzeit korrigiert. Als adaptiven Spiegel nutzt das System den Sekundärspiegel des VLT selbst. In den meisten Fällen lassen sich in der Nähe der beobachteten Himmelsregion keine hellen Referenzsterne finden. Aus diesem Grund verfügt das System über vier Laser. Diese regen Natrium, das in einer Schicht der Atmosphäre in etwa 100km Höhe besonders stark vorkommt, zum Leuchten an und erzeugen damit künstliche Sterne. Durch Vergleich des erwarteten Bildes dieser Referenzsterne mit dem tatsächlich aufgenommenen kann der Computer die Verzerrungen durch Luftturbulenzen angenähert berechnen und den Spiegel entsprechend verformen. Die adaptive Optik des VLT wird unabhängig von MUSE durch die ESO entwickelt.

    Neben dem Weitwinkelmodus, in dem die meisten Beobachtungen durchgeführt werden, bietet MUSE auch einen hochauflösenden Modus mit einem achtmal kleineren Blickfeld. In diesem Modus wird MUSE eine ähnlich hohe Winkelauflösung liefern wie weltraumgestützte Instrumente, gleichzeitig aber die bedeutend größere Lichtsammelfläche eines 8m-Teleskops und die großformatigen Integralfeldspektrographen nutzen können. Dies macht MUSE zu einem einzigartigen Instrument.

    A view of the MUSE instrument on its VLT Nasmyth platform.
    A view of the MUSE instrument on its VLT Nasmyth platform.
    In this view of the instrument, the rear part of the 24 integral field spectrographs can be seen (grey). The Calibration unit is also visible on the upper part (yellow and green), as well as the electronics cabinet (in blue).
    Another view of the MUSE instrument on its VLT Nasmyth platform.
    Another view of the MUSE instrument on its VLT Nasmyth platform.
    In this view one can see the front part of the instrument. The fore-optics and the mirrors of the relay optics are visible under their (yellow) cover.

    Die Entwickler von MUSE müssen eine ganze Reihe von Herausforderungen bewältigen: Die 24 optisch-mechanischen Elemente müssen in Serie gefertigt werden, um die Kosten gering zu halten. Trotz der hohen Anzahl optischer Oberflächen müssen die Lichtverluste im Instrument sehr gering gehalten werden. Das Instrument muss eine hohe Bildqualität liefern. MUSE muss möglichst stabil und zuverlässig arbeiten, da es für Aufnahmen mit sehr hoher Belichtungszeit und für die Kombinierung ganzer Serien von Langzeitaufnahmen verwendet werden soll. Trotz allem muss das Instrument in das Volumen der Nasmyth-Plattform des VLT (etwa 50 Kubikmeter) passen und unter acht Tonnen wiegen.

    System description of MUSE.
    System description of MUSE.

    Der Weg des Lichts durch das Instrument teilt sich wie folgt auf: Es durchläuft zunächst die optisch-mechanischen Teile der adaptiven Optik (GALACSI-System), das auf Störungen der Referenzsterne reagiert und sie ausgleicht. In die Eintrittsöffnung von MUSE kann am Tage ein Spiegel geschwenkt werden, der Licht aus der Kalibrierungseinheit in das Instrument lenkt. Nachts wird der Spiegel entfernt, so dass Licht aus dem Teleskop eintreten kann. Dieses passiert als erstes den Derotator, der die Drehung des Blickfelds durch die Erdrotation kompensiert, und anschließend – je nach aktueller Betriebsart – eine Optik entweder für den Weitwinkel- oder für den hochauflösenden Modus. Danach fällt das Strahlbündel auf Bildfeldteiler und -trenner, die das Blickfeld in 24 Teilbilder aufspalten. Diese werden von Umlenkspiegeln auf 24 verschiedene Lichtwege gelenkt, die in den Integralfeldeinheiten (IFUs) enden. In den IFUs werden die Einzelbilder durch einen Strahlfächer abermals in je 48 Streifen geteilt. Zuletzt werden die Streifen Punkt für Punkt in einen Spektrographen geleitet, in dem das Licht in seine Farben bzw. Wellenlängen aufgespalten wird und ein Detektor die Intensität jeder einzelnen Farbe misst.

    The MUSE image slicer concept
    It is composed of two sets of mirrors. The Image Dissector Array (IDA) is made of thin off-axis spherical mirrors and the Focusing Mirrors Array (FMA) is made of small off-axis spherical mirrors.

    Den 24 Integralfeldspektrographen, aus denen sich MUSE zusammensetzt, widmeten die Entwickler besondere Aufmerksamkeit. Der Strahlfächer beruht auf einem kompakten Doppelspiegel-Konzept, das den Einsatz von Dimantfräsen erlaubt und jüngste Fortschritte in der Materialforschung zur Herstellung hoch präziser optischer Metalloberflächen nutzt. Derartige Spiegel eignen sich auch für die Wellenlängen des sichtbaren Lichts und sind wesentlich preiswerter als alternative Konzepte. Die kompakten Integralfeldspektrographen erreichen über den gesamten Spektralbereich, für den MUSE empfindlich ist, eine hervorragende Bildqualität. Jede IFU ist mit hocheffizienten 16-Megapixel-Detektoren ausgestattet, der mit flüssigem Stickstoff auf -130° Celsius gekühlt wird. Die Bildsegmente aller IFUs werden durch eigens dafür entwickelte Datenverarbeitungs-Software zu einem Gesamtbild zusammengefügt, das aus über 370 Millionen Datenpunkten besteht.