Das Gran Telescopio de Canarias wird einen leistungsstarken Laser abfeuern, um künstliche Sterne zu erzeugen

Das Instituto Astrofísico de Canarias (IAC) testet derzeit das Laserleitstern-System, welches die adaptive Optik des Gran Telescopio de Canarias (GTC) komplettieren wird. Dadurch kann das Teleskop den Himmel so klar beobachten, als befände es sich im Weltraum.

Mit einem Durchmesser von 34 Metern und einer Höhe von 26 Metern thront die Kuppel des GTC, ein metallener Koloss, auf dem Gipfel La Palmas. Sein futuristisches Erscheinungsbild wird bald noch beeindruckender sein, wenn das größte Teleskop der Welt Nacht für Nacht einen hochintensiven Laserstrahl in den dunklen Himmel sendet. Dieser dient nicht der Zerstörung ferner Welten, sondern der Erzeugung künstlicher Sterne zur Kalibrierung der Teleskopoptik.

„Sobald das adaptive Optiksystem vollständig einsatzbereit ist, werden wir einige Himmelsobjekte schärfer sehen können als selbst mit dem James-Webb-Weltraumteleskop“, verkündet Direktor Romano Corradi aus dem Kontrollraum des GTC.

Corradi beschreibt das System als nahezu magisch: Es verformt die Teleskopspiegel in Echtzeit subtil, um atmosphärische Störungen zu korrigieren. Kalibriert wird es mithilfe heller Sterne, und falls diese fehlen, durch künstliche Lichtpunkte, die der leistungsstarke Laser in 90 km Höhe erzeugt. Diese Lichtkanone projiziert einen mehrere Meter großen künstlichen Stern in die Mesosphäre, genauer gesagt auf die Überreste von Sternschnuppen.

Wie der Blick durch den Boden eines Schwimmbeckens

Das Gran Telescopio de Canarias befindet sich an einem der Orte mit dem dunkelsten und klarsten Himmel der Welt, betont Corradi. Dennoch verursachen atmosphärische Turbulenzen stets leichte Veränderungen im Licht. Dadurch wird die volle räumliche Auflösung des riesigen 10-Meter-Spiegels beeinträchtigt, die es eigentlich ermöglichen sollte, eng beieinander liegende Himmelsobjekte, wie beispielsweise einen Planeten und seinen Stern, klar zu unterscheiden.

Der Astrophysiker Francisco Sánchez, Gründungsvater des IAC, vergleicht atmosphärische Turbulenzen mit dem Effekt, der entsteht, wenn man an einem heißen Tag über eine aufgeheizte Straße blickt. Die Objekte erscheinen verschwommen, „weil das Licht durch tanzende Blasen heißer Luft dringt, die seinen geradlinigen Weg verändern“, schreibt er in seiner Autobiografie. Obwohl die Luftunruhe am Roque de los Muchachos Observatorium (ORM) sehr gering ist, verstärkt sich der Effekt proportional zum Durchmesser des Instruments. Daher muss ein Teleskop von der Größe des GTC versuchen, diese Einflüsse zu minimieren.

„Atmosphärische Turbulenzen verzerren das Licht, ähnlich einem Blick durch das Wasser am Boden eines Schwimmbeckens“, erklärt Marcos Reyes, Leiter der Instrumentierung am Teleskop und verantwortlich für die Installation der neuen Ausrüstung. Die adaptive Optik ist eine ausgeklügelte Technologie, die die Atmosphäre und das, was Astronomen als „Seeing“ bezeichnen, quasi verschwinden lässt. Sie misst die Lichtverzerrung in Echtzeit und sendet Befehle an einen verformbaren Spiegel, der diese Schwankungen ausgleicht und korrigiert.

„Der Spiegel wird so verformt, dass er die durch die Atmosphäre verursachte Lichtveränderung kompensiert“, erläutert Corradi. „Dadurch wird die ebene Form der Wellenfronten wiederhergestellt und das sonst verschwommene Bild erscheint scharf.“ „Wir messen die Lichtverzerrung tausendmal pro Sekunde, analysieren sie in Echtzeit und senden die Befehle an den verformbaren Spiegel. So erreicht das reflektierte Licht das wissenschaftliche Instrument mit hoher räumlicher Auflösung“, ergänzt Reyes.

Die Suche nach einem Referenzstern

Das Adaptive Optics System for the GTC (GTCAO) ist seit 2023 auf der Nasmyth-B-Plattform des Teleskops installiert und wird nach einer Testphase Ende des Jahres der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung stehen. In dieser ersten Phase kalibriert das Team das System mit „natürlichen Sternen“ – sehr hellen Sternen in der Nähe des zu untersuchenden Objekts. „Atmosphärische Turbulenzen variieren je nach Himmelsregion“, so Reyes. „Deshalb müssen wir die Turbulenzen in der Nähe des Beobachtungsobjekts messen.“

Um beispielsweise eine sehr lichtschwache Galaxie zu beobachten, kalibrieren Astronomen die Optik zunächst anhand eines hellen Sterns im selben Himmelsbereich. „Doch der Nachthimmel ist nicht mit hellen Sternen übersät. Daher können wir die adaptive Optik nur auf wenige Bereiche anwenden“, gibt der Experte zu bedenken. „Die Lösung? Wir erzeugen mit einem Laser vom Teleskop aus einen künstlichen Stern zur Kalibrierung.“

Ein 30 cm breiter Lichtstrahl

Unter dem massiven Spiegel des GTC, der aus 36 sechseckigen Segmenten mit einem Gewicht von je 450 kg und einer Höhe von fast zwei Metern besteht, wirkt die Kuppel wie das Innere eines gigantischen Roboters. Hier arbeitet Jesús Patrón, einer der Astrophysiker des IAC, an der Feinabstimmung der adaptiven Optik. „Der Laser hat eine Leistung von 20 Watt und einen Ursprungsdurchmesser von nur drei Millimetern“, erklärt er. „Doch durch das sogenannte Startteleskop wird der Lichtstrahl umgewandelt und tritt an der Vorderseite als etwa 30 Zentimeter breiter Strahl aus. Wir benötigen eine ausreichende Anzahl anregbarer Moleküle, um ein sichtbares Signal zu erzeugen.“

Der Laser leuchtet orange, da er im Wellenlängenbereich von Natrium arbeitet, erklärt Marcos Reyes. „Diese Farbe ist am effizientesten, da sie bis zu einer Höhe von 90 Kilometern in die Mesosphäre vordringt“, fährt er fort. „In dieser Region befinden sich viele Partikel von Meteoriten, Überreste kleiner Asteroiden, die in die Atmosphäre eingetreten sind. Daher gibt es dort viele Natriumatome.“

In dieser Zone, wo Sternschnuppen verglühen, regt der Laser die Natriumatome in einem Bereich von ein bis zwei Metern Durchmesser an. Dies erzeugt einen schwachen, künstlichen Stern der Größenklasse 8 oder 9, der dem GTC als Referenz für die adaptive Optik dient und so die Bildschärfe optimiert.

Proprietäre Technologie

In den letzten Monaten haben Reyes und sein Team die Laserkanone auf dem Teide und dem Roque de los Muchachos getestet. Sowohl der Laser als auch das adaptive Optiksystem wurden vollständig von IAC-Wissenschaftlern entwickelt. Der Laser wird demnächst im Höhenring des Gran Telescopio de Canarias installiert, einer Struktur, die sich mit dem Teleskop bewegt und es ermöglicht, den Strahl an jede beliebige Stelle am Himmel zu richten.

„Die Installation ist für 2027 geplant, die Tests mit wissenschaftlichen Instrumenten für 2028“, so Reyes. „Nach diesem langen und komplexen Prozess wird das System für die routinemäßige Forschung eingesetzt.“

„Wenn wir eine interessante Galaxie beobachten wollen, die jedoch zu lichtschwach für die Kalibrierung der Optik ist, platzieren wir mit dem Laser einen künstlichen Stern daneben“, erklärt GTC-Direktor Romano Corradi. „Anschließend senden wir die Informationen an den verformbaren Spiegel und korrigieren die Verzerrungen. Wir konnten bereits die Turbulenzen für bestimmte Teststerne korrigieren, müssen aber noch Feinabstimmungen vornehmen.“

Das IAC ist überzeugt, dass dieser Technologiesprung das wissenschaftliche Potenzial des Grantecán, wie das GTC auch genannt wird, weiter steigern wird, über das Niveau hinaus, das es seit seiner Inbetriebnahme im Jahr 2009 erreicht hat. „Es gibt einen Bereich, in dem man mit adaptiver Optik und Lasern Weltraumteleskope hinsichtlich der Auflösung tatsächlich übertreffen kann“, räumt die stellvertretende Direktorin Eva Villaver ein. Im Gegensatz zu astronomischen Einrichtungen in Chile oder Hawaii, wo der Flugverkehr durch Laser nicht gestört werden darf, gibt es auf La Palma dank des „Gesetzes des Himmels“ weniger Einschränkungen für den Betrieb des Lasers.

„Die Bedingungen am Observatorium von La Palma sind vergleichbar mit denen in der Atacama-Wüste und auf Hawaii. Wir gehören zur Weltspitze der Observatorien“, betont Corradi. „Das GTC ist immer noch das größte Teleskop der Welt und wird neue Türen für die Wissenschaft öffnen, sowohl in der stellaren als auch in der extragalaktischen Forschung“, schließt Marcos Reyes. „Mit dem Vorteil, dass hochauflösende Wissenschaft vom Boden aus deutlich kostengünstiger ist als aus dem Weltraum.“