VLT – Juwel der europäischen Astronomie

Quelle: G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO

Das VLT in der Atacama-Wüste

Mit dem Very Large Telescope (VLT) untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einige der größten Rätsel des Kosmos: Sie wollen den Aufbau und die Entstehung von Planeten, Sternen und Galaxien verstehen. Dazu untersuchen sie Exoplaneten und Schwarze Löcher und vermessen die Eigenschaften von Galaxien, die Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Seit der Aufnahme des wissenschaftlichen Betriebs im April 1999 hat das VLT eine zentrale Bedeutung für die Astronomie erlangt. Bei einer Reihe bedeutungsvoller Entdeckungen spielte es eine zentrale Rolle: So gelang es beispielsweise, die Bahndaten von Sternen zu bestimmen, die um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße kreisen. Die Sterne bewegen sich auf gekrümmten Bahnen und werden von diesem Schwarzen Loch mit geschätzten vier Millionen Sonnenmassen beeinflusst. Der damit erbrachte erste indirekte Nachweis eines Schwarzen Loches führte 2020 zum Nobelpreis für Physik für Reinhard Genzel.

2004 gelang am VLT auch die erste direkte Aufnahme eines Exoplaneten, also eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Auf der Aufnahme zeigte sich neben einem Braunen Zwerg ein tiefroter Punkt, den die Astronomen für einen Planeten mit drei bis zehn Jupitermassen halten. Normalerweise ist die Auflösung solcher Bilder durch die Luftunruhe in der Erdatmosphäre begrenzt, sodass sie nur einen einzigen verwaschenen Fleck zeigen würden. Doch die adaptive Optik des Teleskops kann die Luftturbulenzen ausgleichen und damit die Bildschärfe deutlich erhöhen.

Sternspuren

Ein weiterer Meilenstein der Astronomie gelang am VLT mit der Charakterisierung der Atmosphäre eines Exoplaneten. Der Planet mit der Bezeichnung GJ 1214b zieht auf seiner Umlaufbahn regelmäßig vor seinem Mutterstern vorbei. Dabei durchleuchtet ein kleiner Teil des Sternenlichts auf dem Weg zur Erde die Atmosphäre des Planeten. Dieses Licht haben die Astronominnen und Astronomen am VLT analysiert. Sie fanden heraus, dass die Atmosphäre des Planeten entweder größtenteils aus Wasserdampf besteht oder aber von dichten Dunstschichten und Wolken dominiert wird. Auch die Entdeckung der beschleunigten Ausdehnung des Universums, die 2011 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, basierte zum Teil auf Daten des VLT.

Das VLT zählt zu den technisch am höchsten entwickelten optischen Instrumenten der Welt und gilt als Flaggschiff und „Arbeitspferd“ der europäischen erdgebundenen Astronomie. Es ist Teil des Paranal-Observatoriums, das die Europäische Organisation für astronomische Forschung in der südlichen Hemisphäre – kurz ESO für European Southern Observatory – auf dem 2635 Meter hohen Berg Cerro Paranal in der Atacama-Wüste Chiles betreibt. Die nächstgelegene größere Stadt Antofagasta ist circa 120 Kilometer entfernt. Dort, fernab der großen Städte und Hauptverkehrsrouten Chiles, herrschen ideale Bedingungen für astronomische Beobachtungen: trockene und außergewöhnlich ruhige Luftströmungen und keinerlei Lichteinflüsse durch die Zivilisation.

Laserleitsterne am VLT

Vier Hauptteleskope mit Spiegeldurchmessern von jeweils 8,2 Metern sowie vier kleinere 1,8-Meter-Hilfsteleskope bilden das Fundament des VLT. Die Hauptteleskope tragen die Namen Antu, Kueyen, Melipal und Yepun. In der Sprache des Mapucho-Volkes stehen sie für Sonne, Mond, das Sternbild „Kreuz des Südens“ und die Venus. Die vier Hauptteleskope können einzeln betrieben oder zu einem großen Interferometer zusammengeschaltet werden, dem VLT-Interferometer (VLTI). Bei einer Belichtungszeit von einer Stunde kann jedes einzelne der Hauptteleskope Bilder von Objekten im Universum aufnehmen, die vier Milliarden Mal schwächer leuchten, als alles, was der Mensch noch mit bloßem Auge verarbeiten kann. Um die bestmögliche Bildqualität zu erreichen und Störeffekte auszugleichen oder zu vermeiden, sind die Teleskope in kompakten, temperaturgeregelten Gebäuden untergebracht, zu denen der Zutritt während der Messungen untersagt ist. Die Steuerung der Teleskope und Aufnahmen erfolgt aus einem Operationszentrum in einem separaten Gebäude.

VISTA

Um die Teleskope für eine Aufnahme auf einen bestimmten Punkt des Nachthimmels auszurichten, werden sie zusammen mit ihrem jeweiligen Gebäude gedreht. Jedes einzelne der 430 Tonnen schweren Teleskope lagert dazu beinahe reibungslos auf einem Ölfilm und ließe sich selbst mit der Hand verschieben. Die Luftunruhe in der Erdatmosphäre wird durch die sogenannte „adaptive Optik“ ausgeglichen, bei der computergesteuerte, verformbare Spiegel die Verzerrungen der Bilder durch die Luftturbulenzen korrigieren. Damit wird eine Bildschärfe erreicht, die den Bedingungen im Weltraum entspricht. Im interferometrischen Betrieb werden die vier Teleskope zusammengeschaltet und das eingefangene Licht eines astronomischen Objektes wird zu einem einzigen Bild zusammengeführt. Dies geschieht über ein komplexes unterirdisches Spiegelsystem, das so präzise funktioniert, dass man auf Aufnahmen die beiden Scheinwerfer eines Autos auf dem Mond unterscheiden könnte.

Deutschland ist Gründungsmitglied der 1962 gegründeten zwischenstaatlichen Organisation ESO, die heute 16 Mitgliederländer zählt. Deutschland ist der größte Geldgeber für den ESO-Haushalt, aus dem der Betrieb des VLT und weiterer Teleskope der ESO bezahlt wird. Dies sorgt für eine nachhaltige Sicherung der Spitzenposition Deutschlands als Forschungsstandort auf dem Gebiet der Astronomie.

Europäische Südsternwarte ESO

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert außerdem die Instrumentierung des VLT im Rahmen der Projektförderung ErUM-Pro. Sie ermöglicht Arbeitsgruppen an deutschen Universitäten, wesentliche Beiträge zur Weiterentwicklung von Forschungsinfrastrukturen wie etwa den ESO-Teleskopen zu liefern. Damit sorgt das BMBF für eine stetige Weiterentwicklung des VLT und seiner effizienten wissenschaftlichen Nutzung. Dadurch konnten deutsche Universitätsinstitute an zentralen Instrumentierungsprojekten des VLT teilhaben. Insgesamt ist Deutschland bei etwa einem Drittel aller Instrumente involviert. Die Expertise, die durch die maßgebliche Beteiligung von Arbeitsgruppen aus Deutschland aufgebaut wird, trägt nicht zuletzt zum Erfolg beim Einwerben von Beobachtungszeit bei. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland stellen die größte Nutzergemeinde am VLT.

Das VLT existiert bereits seit den späten 1990er Jahren und wird seitdem fortlaufend weiterentwickelt. Die vom Bundesforschungsministerium geförderten Instrumente am VLT helfen Forscherinnen und Forschern, unser Verständnis des Universums kontinuierlich zu erweitern. Beispielsweise hat das Instrument „Gravity“ 2018 maßgeblich dazu beigetragen, die Existenz eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße, zu bestätigen. Dafür wurde Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik im Jahr 2020 der Nobelpreis verliehen. Auch spielte „Gravity“ eine wichtige Rolle dabei, die von Albert Einstein entwickelte Allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Dies gelang durch die hochpräzise Messung der Bewegung eines Sterns, der durch das Gravitationsfeld eben jenes Schwarzen Lochs wandert. Dort existieren Extrembedingungen, wie sie kein irdisches Labor erzeugen kann. Das Instrument „Muse“ war 2017 auch an der Vermessung der Quelle von Gravitationswellen beteiligt, deren Entdeckung im selben Jahr mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.

Spektrograf MUSE am VLT

Im Jahr 2021 hat das Instrument CRIRES+ seinen Betrieb aufgenommen – unter anderem mit dem Ziel, neue Exoplaneten zu finden. Dabei soll es sich auf sogenannte Supererden konzentrieren: Gesteinsplaneten, die im Vergleich zu unserer Erde über deutlich mehr Masse verfügen. Besonders interessant für Forscherinnen und Forscher sind solche Planeten, die sich in der sogenannten „habitablen Zone“ um ihren Heimatstern befinden. Also in einer Umlaufbahn, in der es aufgrund gemäßigter Temperaturen flüssiges Wasser geben kann. Dies ist eine Voraussetzung für die Entstehung von Leben, wie wir es heute kennen. CRIRES+ ist sogar in der Lage, Moleküle wie Methan, Wasser oder Kohlenstoffdioxid in den Atmosphären ferner Welten nachzuweisen. Dies erlaubt faszinierende Rückschlüsse auf die dortigen Bedingungen.