Frequenzkamm einsatzbereit für astronomische Beobachtungen


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Momentan erreichen die besten Spektrographen Messgenauigkeiten von etwa 20 Meter pro Sekunde. Damit ist es heutzutage möglich Planeten mit Jupiter oder Neptun-Masse um sonnenähnliche Sterne aufgrund ihrer Doppler-Bewegung durch spektroskopische Beobachtungen nachzuweisen. Um jedoch Exoplaneten mit Erdmasse um  Sterne a la unserer Sonne zu finden sind Messgenauigkeiten von etwa 5 cm pro Sekunden (der Dopplerverschiebung) nötig. Aktuelle Spektrographen haben jedoch noch nicht die technischen Voraussetzungen (Kalibrationsmethoden) um dies zu erreichen. Genauso wenig ist es zur Zeit möglich die beschleunigte Expansion des Universums direkt in extragalaktischen Objekte wie Galaxien und Quasare nachzuweisen. Astronomem müssten die Rotverschiebung (~Geschwindigkeit mit der sich das extragalaktische Objekt aufgrund der Expansion des Universums von uns wegbewegt) über einen Zeitraum von um die 20 Jahre regelmässig messen. Die jährliche Veränderung der Fluchtgeschwindkeit beträgt weniger als 1 Zentimeter pro Sekunde. Dies sind nur zwei Anwendungen in denen Hochpräzisions-Spektrographen in Verbindung mit Teleskopen der nächsten Generation wie dem von der ESO geplannten 42-m E-ELT (European Extremely Large Telescope) von den Forschern weltweit benötigt werden.

Teammitglieder Til Steinmetz und Constanza Araujo-Hauck bereiten den Frequenzkamm im VTT (Vacuum Tower Telescope) Optiklabor auf Teneriffa für seinen Einsatz vor [3]. 

In dieser Woche berichtete ein internationales Forscherteam (bestehend aus Quanten- und Astrophysikern) um den deutschen Quantenphysiker Tilo Steinmetz über ein neues Kalibrationssystem mit dem die gewünschten Messgenauigkeiten in Zukunft erreicht werden sollen [1,2,3,4]. Die Wissenschaftler wendeten dabei die mit dem Physik Nobelpreis 2005 gewürdigte Frequenzkammtechnik an. Der dabei ausgezeichnete deutsche Nobelpreisträger Prof. Th. W. Hänsch ist auch Ko-Autor des im Wissenschafts-Magazin Science [1] veröffentlichten Artikels.

 

Diese Abbildung zeigt links oben schematisch das VTT Sonnenteleskop auf Teneriffa welches für diese Arbeit verwendet wurde. Die Überlagerung mit dem Frequenzkamm, der unten dargestellt ist, erfolgt mit Hilfe eines Strahlteilers. Gemeinsam werden beide Lichtquellen dem Spektrometer zugeführt (rechts dargestellt). Um den Frequenzkamm für diesen Zweck verwenden zu können, muss die Frequenzdifferenz der Spektrallinien soweit erhöht werden, dass sie vom Spektrometer aufgelöst werden können. Dies geschieht in einer "Fabry-Perot filter cavity" (Abbildung/Text übernommen von [1,4]).

Ihre ersten astronomischen Beobachtungen machten die Quanten- und Astrophysiker am 8. März mit dem VTT (Vacuum Tower Telescope) Sonnenteleskop. Beim beobachteten astronomischen Objekt handelte es sich um die Sonne. Die Forscher führten die Beobachtungen im nahen Infraroten bei 1,5 Mikrometer durch. Sie erreichten dabei eine beeindruckende Messgenauigkeit von 9 Meter pro Sekunde. Vereinfacht stellt man sich den Frequenzkamm als ein Lineal vor mit einer absoluten Skala. Mit einem so genannten Frequenzkammgenerator erzeugen die Physiker in dem zu messenden Wellenlängenbereich Spektrallinien mit gleichbleibenden Abstand ähnlich zu den Skalen für die Längenmessung auf einem Lineal. Diese Kalibration ist auch über einen Zeitraumen von einigen Dekaden exakt wiederholbar.

Schema des Experiments: Das Licht der Sonne oder eines anderen Sterns wird mit Hilfe eines Teleskops in eine Glasfaser eingekoppelt und einem Spektrometer, dargestellt durch das Prisma, zugänglich gemacht. Auf dem Schirm des Spektrometers erkennt man die dunklen Spektrallinien der Sonne (Fraunhofer Linien) die durch die Absorption in der Photosphäre der Sonne entstehen. Überlagert dazu erkennt man die Spektrallinien das Laser Lasers als helle Streifen. Wegen der regelmäßigen Struktur dieser Streifen und weil man diese mit Hilfe der Frequenz einer Atomuhr stabilisiert, wird das Ganze Frequenzkamm genannt (Abbildung/Text übernommen von [2,4]).  
 
Dieser präsentierte Prototyp macht große Hoffnung, dass es in Zukunft mit den Teleskopen und Spektrographen der nächsten Generation tatsächlich möglich sein wird zum Beispiel die beschleunigte Expansion des Universums direkt in extragalaktischen Obkjekten nachzuweisen.  Es ist großartig zu sehen, dass interdisziplinäre Zusammenarbeiten für substantielle Durchbrüche in der Wissenschaft sorgen können, die Förderung interdisziplinärer Arbeiten absolut richtig ist und weiter vorangetrieben werden sollte. Der nächsten Einsatz dieser neuen und zukunftsweisenden Kalibrationstechnik wird nun am ESO 3.6 m Teleskop in La Silla, Chile sein. Die Forscher werden eine überarbeitete Version des jetzt präsentierten Prototypen für den seit einigen Jahren eingesetzten Planetenfinder HARPS bauen. Ich bin schon sehr auf die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse dieser neuen Technologie mit dem Instrument HARPS am ESO 3.6 m Teleskop gespannt. 

 

Ein Ausschnitt des gemessenen Spektrums mit Vergrößerung (oben). Die dunklen Linien entstehen durch Absorption von gasförmigen Elementen in der Photosphäre der Sonne und durch Absorptionen in der Erdatmosphäre. Überlagert dazu erkennt man die Spektrallinien des Frequenzkamms als helle Streifen. Diese dienen der präzisen Kalibrierung des gesamten Sonnenspektrums mit Hilfe einer an den Frequenzkamm angeschlossenen Rubidium Atomuhr (Rb-clock) (Abbildung+Text übernommen von [1,4]).

 

 

Bis zum nächsten Blog.

Euer Helmut Dannerbauer 

 

 

Quellen:

[1]: Artikel in Science (Preprint)

[2]: Max-Planck-Institut für Quantenoptik Pressemitteilung, 5. September 2008 

[3]: ESO Press Release 26/08, 5. September 2008

[4]: Zusatzmaterial auf deutsch und englisch

 

T. Steinmetz, T. Wilken, C. Araujo-Hauck, R. Holzwarth, T. W. Hansch, L. Pasquini, A. Manescau, S. D'Odorico, M. T. Murphy, T. Kentischer, W. Schmidt, T. Udem (2008). Laser Frequency Combs for Astronomical Observations Science, 321 (5894), 1335-1337 DOI: 10.1126/science.1161030

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