• Beginpagina > Technologie > MUSE: instrument ontwerp en technologische uitdagingen
  • MUSE: instrument ontwerp en technologische uitdagingen

    Martijn VAN RIET, Roland BACON



    In deze sectie geven we een overzicht van het ontwerp van MUSE en de technologische moeilijkheden. Om de wetenschappelijke doelen te bereiken is MUSE ontworpen als een breed veld integraal spectrograaf , geassisteerd door een adaptieve optica. Een integraal spectrograaf is een spectrograaf die voor pixels op een 2 dimensionaal vlak aan de hemel spectra kan meten. Dit in tegenstelling tot een klassieke spleet spectrograaf, die slechts voor 1 dimensie (een spleet) spectra kan meten. Omdat een integraal spectrograaf voor 2 dimensies spectra kan bepalen, worden deze spectrografen ook wel 3D spectrografen genoemd (2 dimensies voor de afbeelding, 1 dimensie voor het spectrum van iedere pixel). 3D spectrografen bestaan uit twee onderdelen: een deel dat het gezichtsveld opnieuw indeelt, en een deel dat het opgedeelde licht omzet in een spectrum. Het belangrijkste onderdeel is het deel dat het licht opnieuw indeelt. Dit kan gedaan worden op verschillende manieren, zoals een matrix van lenzen, glasvezels of splicers. MUSE gebruikt een nieuw 2-spiegel slicer ontwerp. MUSE is een breed veld integraal spectrograaf, wat inhoudt dat MUSE is ontworpen om waarnemingen te doen van grote delen van de hemel ineens. Hoe groter het gezichtsveld, hoe meer sterrenstelsels MUSE zal kunnen detecteren, en dus hoe meer informatie vergaard kan worden. Het gezichtsveld van integraal spectrografen wordt over het algemeen bepaald door de grootte van de optica en de detectors. Daarom gebruikt MUSE niet één spectrograaf, maar 24!

    Laser vanuit een van de VLT telescopen
    Laser vanuit een van de VLT telescopen
    De lucht boven Paranal, met een van de Sodium lasers in werking. Met dank aan ESO.

    MUSE wordt geassisteerd door adaptieve optica dat ontworpen is om de resolutie van de VLT te verbeteren. Dit wordt gedaan door (gedeeltelijk) te corrigeren voor de verstoringen die de atmosfeer van de aarde veroorzaakt. Deze verstoringen worden gecorrigeerd door de secondaire spiegel van de VLT te vervormen, en zo de verschillen in het golffront van het inkomend licht op te heffen. Om de verstoringen in het inkomend golffront te meten is een heldere “gidsbron” nodig in de buurt van het te meten object. Omdat er niet altijd een dergelijke bron voorhanden is, wordt gebruik gemaakt van 4 kunstmatige sterren. Deze kunstmatige sterren worden gemaakt door 4 lasers (gekoppeld aan de VLT), die de Natrium laag in de atmosfeer exciteren op ongeveer 100 km hoogte. Dit systeem is onafhankelijk van MUSE ontworpen door ESO.

    MUSE heeft ook een tweede modus, met een zeer hoge resolutie, maar een 8 maal kleiner gezichtsveld. Deze mode heet de Narrow Field Mode, in tegenstelling met de normale modus, ofwel de Wide Field Mode. De Narrow Field Mode zal MUSE een resolutie geven vergelijkbaar met integraal veld spectrografen gebaseerd in de ruimte, met het verschil dat MUSE is gekoppeld aan een acht meter grote telescoop die veel meer licht opvangt dan ruimte telescopen. Dit maakt MUSE een uniek instrument.

    MUSE op het Nasmyth platform van de VLT
    MUSE op het Nasmyth platform van de VLT
    Het achterste deel van de 24 integraal spectrografen (grijs). In het bovenste deel is de kalibratie eenheid zichtbaar (geel en groen), samen met het elektronica compartiment (blauw).
    MUSE vanuit een andere hoek op het VLT Nasmyth platform
    MUSE vanuit een andere hoek op het VLT Nasmyth platform
    Hier is de voorkant van het instrument zichtbaar.

    Het ontwerp van MUSE moest de volgende problemen overkomen:
    - De 24 optisch mechanische elementen moeten relatief goedkoop zijn.
    - De licht efficiëntie moet zo hoog mogelijk zijn, ondanks het groot aantal optische elementen aanwezig in het systeem.
    - De beeldkwaliteit moet zeer hoog zijn.
    - Het instrument moet zeer stabiel en betrouwbaar zijn, aangezien het voornamelijk gebruikt zal worden voor zeer lange observaties, en voor het combineren van een groot aantal waarnemingen.
    - Het instrument moet passen in het VLT Nasmyth platform (ongeveer 50 m3). En mag maximaal 8 ton wegen.

    Beschrijving van MUSE.
    Beschrijving van MUSE.

    De weg die het licht aflegt is de volgende: als eerste komt het licht door het adaptieve optica systeem (genaamd GALACSI), dat gebruik maakt van de gidsbronnen (zowel laser en natuurlijke sterren). Bij de ingang van het MUSE systeem kan een spiegel geplaatst worden, die licht inlaat van een kalibratie module. Deze module kan overdag gebruikt worden om het systeem te kalibreren. Tijdens het waarnemen wordt de spiegel verwijderd, en wordt het gezichtsveld van de telescoop direct naar de “derotator” gestuurd. Dit instrument compenseert voor de draaiing van de aarde. Nadat het licht gecorrigeerd is, zijn er twee mogelijkheden. De eerste mogelijkheid is dat het licht wordt gestuurd naar de module voor de Wide Field Mode, ontworpen voor een maximaal gezichtsveld. De andere mogelijkheid is de module voor de Narrow Field Mode, welke een hogere resolutie heeft. Nadat het licht een van deze modules is gepasseerd, wordt het gezichtsveld opgesplitst in 24 kleinere delen (dit wordt gedaan door een zogenaamde slicer). Ieder deel wordt nu naar zijn eigen integraal veld spectrograaf gestuurd. Binnen deze spectrografen wordt het licht opnieuw opgesplitst, ditmaal in 48 kleinere delen. Alle 48 delen worden dan door een spectrograaf geleid, die het licht opsplitst volgens hun kleur (een spectrum). Dit spectrum valt dan uiteindelijk op een detector, die het spectrum registreert.

    Het beeld slicer concept.
    Het beeld slicer concept.
    De slicer bestaat uit twee sets van spiegels. De Image Dissector Array (IDA) en de Focusing Mirrors Array (FMA).

    De slicer MUSE die het licht opdeelt in 24 delen is gebaseerd op een twee spiegel ontwerp. Recente vooruitgangen in het fabriceringproces van deze spiegels hebben het mogelijk gemaakt dat deze spiegels goedkoper gemaakt konden worden dan andere alternatieven overwogen voor MUSE. Iedere integraal veld spectrografen bereiken een zeer goede beeldkwaliteit over het gehele golflengte bereik van MUSE. Iedere van de 24 spectrografen gebruikt een detector van 16 miljoen pixels, en wordt met behulp van vloeibare stikstof gekoeld tot -130 graden Celsius. De MUSE beeld slicer De beeld slicer van MUSE bestaat uit twee sets van spiegels. De eerste set ontleedt het beeld (de Image Dissector Array), en bestaat uit een stapel dunne bolvormige spiegels. De tweede set spiegels (genaamd de Focusing Mirrors Array) is opnieuw bolvormig, en zorgt ervoor dat de opgesplitste beelden uiteindelijk op een rechte lijn door de spectrograaf gaan. Iedere MUSE waarneming zal bestaan uit 370 miljoen pixels. Op dit moment wordt er een dataverwerking systeem ontwikkeld dat kan omgaan met de grote hoeveelheden data die door MUSE wordt gegenereerd. Alle elektronica die nodig is om MUSE aan te sturen zit in speciale gekoelde compartimenten. De koeling moet voorkomen dat warmte van de elektronica verstoringen veroorzaakt binnen de telescoop. MUSE zal bediend worden vanuit het VLT controle centrum met software die geïntegreerd is in de standaard VLT software.