Donnerstag, 31. Mai 2012

Mit neuem Laser-Kamm auf der Suche nach erdähnlichen Planeten


Das 3,6-Meter Teleskop der ESO vor dem Hintergrund der Milchstraße. | Copyright: ESO/S. Brunier

La Silla/ Chile - Der HARPS- Spektrograph am 3,6-Meter-Teleskop am La-Silla-Observatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile wurde kürzlich mit einem neuen Laser-Frequenzkamm ausgestattet. Von dem neuen Instrument erhoffen sich die Astronomen verbesserte Möglichkeiten bei der Suche nach erdähnlichen Planeten außerhalb des Sonnensystems und der Ausdehnung des Universums.

"Dieses neuen Instrument", so zeigt man sich an der ESO (eso.org) überzeugt, "wird zu einem revolutionären Werkzeug für die astronomische Gemeinschaft werden und dabei behilflich sein, erdähnliche Planeten innerhalb der habitablen - also lebensfreundlichen - Zonen um nahe Sterne zu entdecken. Die ersten Testmessungsergebnisse haben ESO-Astronomen aktuell im Fachjournal "Nature" veröffentlicht.

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Wie das Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ, mpq.mpg.de) in Garching, an dem das Instrument mitentwickelt wurde, erläutert, können Laser-Frequenzkämme als Kalibrationsquellen an astronomischen Spektrographen eingesetzt werden: "Dies erleichtert die Suche nach extrasolaren Planeten, die einen Stern außerhalb unseres Sonnensystems umkreisen. Eine verbesserte Kalibration könnte es außerdem ermöglichen, selbst sehr kleine Änderungen der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums direkt zu messen."

Seit ihrer Erfindung vor rund zehn Jahren, haben Laser-Frequenzkämme in vielen Laserlaboren Einzug gehalten. Ursprünglich für die Erkundung der Quantenwelt gedacht, sind sie heute dabei, sich einen festen Platz in der Astronomie und Astrophysik zu erobern. In Zusammenarbeit mit der ESO, dem Instituto de Astrofísica de Canarias und der Firma Menlo Systems Gmbh haben die Wissenschaftler die Frequenzkammtechnik nun derart modifiziert, dass sie für die Kalibrierung astronomischer Spektrographen eingesetzt werden kann.

Die ersten Messungen zeigen, dass mit dem neuen Laser-Frequenzkamm "eine zehnmal höhere Genauigkeit als mit traditionellen Spektrallampen erreicht wird. Dies wird die Suche nach erdähnlichen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems erheblich erleichtern. Damit soll letztendlich die Frage beantwortet werden, ob unser Sonnensystem der einzige Ort im Universum ist, an dem die Bedingungen für die Entstehung von Leben - wie wir es kennen - erfüllt sind."


Der Laser-Frequenzkamm im Einsatz. | Copyright: ESO

Da sich die meisten Exoplaneten selbst mit den größten Teleskopen nicht direkt abbilden lassen, basiert eine der besten Nachweismethoden auf der Messung der sogenannten Dopplerverschiebungen im Spektrum des Muttersterns, der unter dem Einfluss eines anwesenden Planeten periodische Rückstoßbewegungen ausführt.

"Das von Sternen zu uns gelangende Licht enthält zahlreiche Linien, die für die verschiedenen chemischen Elemente in seiner Gashülle charakteristisch sind. Bewegt sich der Stern auf den Beobachter zu oder von ihm weg, dann verschieben sich diese Linien zu leicht höheren oder niedrigeren Frequenzen", erläutert die Pressemitteilung des MPQ.

Somit erlaubt die Messung dieser Dopplerverschiebung Rückschlüsse auf die Bewegung der Sterne. Umkreisen Planeten ihren Mutterstern, so versetzen sie ihm einen kleinen Rückstoß, so dass sich seine Geschwindigkeit ändert – allerdings nur verhältnismäßig wenig. (Zum Vergleich: Die Sonne legt bei ihrem Weg um das galaktische Zentrum 220 Kilometer in der Sekunde zurück. Der Rückstoß, den die Erde auf die Sonne ausübt, beträgt dagegen nur rund neun Zentimeter in der Sekunde.)

Nutzung des Dopplereffektes bei der Suche nach Exoplaneten: Unter dem Einfluss eines Planeten (roter Ball) führt ein Stern (gelber Ball) periodische Rückstoßbewegungen aus. Bewegt er sich dabei in Richtung des Beobachters (oben), dann erscheinen die Lichtwellen gestaucht, d.h. die Frequenzen nach oben verschoben. Man spricht hier von "Blauverschiebung". Bewegt sich der Stern dagegen vom Beobachter weg (siehe unten), dann werden die Wellen praktisch auseinander gezogen, was einer "Rotverschiebung" zu niedrigeren Frequenzen entspricht. | Copyright: Th. Udem, MPQ

"Die daraus folgende Dopplerverschiebung im Sternenspektrum ist daher sehr klein und nur mit hochpräzisen Messinstrumenten nachzuweisen. Eine Größe zu messen heißt, sie mit einem kalibrierten Maßstab zu vergleichen. Die Genauigkeit bei der Bestimmung von Spektrallinien war bislang dadurch begrenzt, dass sich die Eigenschaften der Kalibrationsquellen selbst (z.B. eine Thorium-Spektrallampe) im Laufe der Zeit altersbedingt änderten", so das MPQ.

Die Ende der 90 Jahre entwickelten Frequenzkämme, für die Theodor W. Hänsch 2005 gemeinsam mit John Hall den Nobelpreis für Physik bekam, steigerten die Genauigkeit der Frequenzbestimmung von Licht erheblich. 2005 schlossen sich das MPQ und die ESO daher zu einer Kooperation zusammen, um diese Technik für die Kalibrierung von Spektrographen zu erproben. Nachdem erste Tests am VTT-Teleskop auf Teneriffa im Jahr 2008 sehr erfolgreich verlaufen waren, begannen die Wissenschaftler mit der Entwicklung eines Frequenzkamms für den HARPS-Spektrographen am La Silla Observatorium in Chile.

Der Frequenzkamm selbst ist ein Laser, der Licht mit einem Spektrum aus vielen Spektrallinien erzeugt: "Jeder Spektrallinie wird mittels elektronischer Regelung die Genauigkeit einer angeschlossenen Atomuhr aufgeprägt. Ein Vergleich der Spektrallinien eines Sterns mit den Linien dieses zeitlich unveränderlichen 'Laserlineals' ermöglicht dann die Messung kleinster Variationen des Sternenlichts, hervorgerufen z.B. durch einen Planeten."

Die Kalibrierung von HARPS mit diesem Frequenzkamm erlaubt nun Geschwindigkeitsänderungen bis hinunter zu 2,5 cm/s zu detektieren. Dies wurde bei Messungen im November 2010 und Januar 2011 erfolgreich getestet. Die Stabilität des Systems über längere Zeiträume wies das Physiker-Team nach, indem es einen Stern mit einem bereits bekannten Planeten mehrere Nächte lang beobachtete.

Beflügelt von diesem Erfolg verfolgen die Wissenschaftler jetzt ein noch ehrgeizigeres Ziel als den Nachweis von Exoplaneten: "Astronomische Beobachtungen haben eindeutig belegt, dass sich das Universum im Laufe der Zeit ausdehnt. Die Interpretation neuer Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung und die Beobachtung von Supernovae legt nahe, dass diese Ausdehnung immer schneller wird. Allerdings ist die Beschleunigung äußerst gering, sie liegt bei jährlich einem Zentimeter in der Sekunde. Solche extrem kleinen Geschwindigkeitsänderungen soll einmal das European Extremely Large Telescope (E-ELT) messen, das die ESO in etwa 10 Jahren in Chile aufzubauen plant. Durch den Einsatz hochpräziser Frequenzkämme kann der dafür konzipierte CODEX-Spektrograph mit einer Genauigkeit von 1 zu 300 Milliarden kalibriert werden – das ist, als würde man den Umfang der Erde auf einen halben Millimeter genau messen."


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Quellen: eso.org, mpq.mpg.de
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