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Autor: Ralph-Mirko Richter / 09. Juni 2014, 18:36 Uhr

Exoplanetensuche - First Light für SPHERE

Eines der vier von der europäischen Südsternwarte in den chilenischen Anden betriebenen VLT-Teleskope wurde kürzlich mit einem neuen Instrument ausgestattet. SPHERE, so der Name des Instruments, soll zukünftig für die direkte Abbildung und die Untersuchung von Exoplaneten eingesetzt werden und dabei die Erforschung von außerhalb unseres Sonnensystems beheimateten Planeten revolutionieren. Bereits während der ersten Beobachtungstage hat SPHERE eindruckvolle Aufnahmen von Staubscheiben um nahe gelegene Sterne und anderer Zielobjekte geliefert.

Quelle: ESO
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ESO, J. Girard

Bild vergrößernDas SPHERE-Instrument ist hier kurz nach seiner Montage am VLT-Hauptteleskop Nummer 3 zu sehen. Das Teleskop nimmt den Großteil des Bildes ein. Bei dem SPHERE- Instrument handelt es sich um den schwarze Kasten unten rechts.
(Bild: ESO, J. Girard)
Bei dem Instrument SPHERE (kurz für "Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch", übersetzt in etwa "spektropolarimetrische Erforschung von Exoplaneten im Hochkontrastbereich") handelt es sich um eine Hochleistungskamera, deren primäres Ziel darin bestehen wird, jupiterähnliche Exoplaneten in nahegelegenen Sternsystemen durch direkte Abbildungen zu entdecken beziehungsweise zu charakterisieren.

Dies ist allerdings eine äußerst schwierige Aufgabe, da sich Exoplaneten zum einen sehr nahe an ihrem Mutterstern befinden und zum anderen auch noch sehr viel lichtschwächer als der jeweilige Zentralstern sind. In einer normalen Aufnahme überstrahlt das Licht eines Zentralsterns deshalb das schwache Leuchten eines den Stern umkreisenden Planeten selbst unter den optimalsten Beobachtungsbedingungen. Nicht zuletzt aus diesem Grund konnten bisher auch lediglich 48 Exoplaneten in 44 verschiedenen Sternsystemen durch direkte Abbildungen nachgewiesen werden.

Der Konzeptentwurf von SPHERE ist aus diesem Grund dahingehend ausgelegt, den höchstmöglichen Abbildungskontrast von einem winzig kleinen Himmelsausschnitt zu erreichen, welcher sich in der unmittelbaren Umgebung eines hell leuchtenden Sterns befindet. Hierfür waren neue technologische Entwicklungen insbesondere auf dem Gebiet der adaptiven Optik, bei speziellen Detektoren und bei koronografischen Komponenten erforderlich, welche von SPHERE in mehreren Abbildungsmethoden vereint werden.

ESO, J.-L. Lizon

Bild vergrößernDiese Aufnahme wurde während der Montage von SPHERE angefertigt.
(Bild: ESO, J.-L. Lizon)
Bei der ersten dieser drei Methoden handelt es sich um eine extrem leistungsfähige adaptive Optik zur Korrektur von störenden Effekten der Erdatmosphäre. Dies ermöglicht, dass die Aufnahmen 'schärfer' ausfallen und der Kontrast des Exoplaneten erhöht wird. Zusätzlich wird ein Koronograf verwendet, welcher das Licht des Zentralsterns 'blockiert' und den Kontrast nochmals steigert.

Schließlich kommt eine Methode namens 'differentielle Bildgebung' zum Einsatz, welche die Unterschiede zwischen dem Sternlicht und dem Licht eines nahe gelegenen Planeten in Bezug auf Farbe und Polarisation ausnutzt. Diese subtilen Unterschiede, welche sich bei den Aufnahmen eines bestimmten Himmelsbereiches ergeben, können sogar die Existenz eines zur Zeit noch unbekannten Exoplaneten enthüllen.

Hierdurch werden sich insgesamt Abbildungsqualitäten ergeben, welche weit über die Werte hinausgehen, die mit dem Vorgängerinstrument NACO erreicht wurden, welches im Jahr 2004 die erste direkte Abbildung eines Exoplaneten ermöglichte.

First Light für SPHERE

Bereits im Dezember 2013 hatte SPHERE seine Abnahmeprüfung in Europa bestanden. Anschließend wurde das Instrument nach Chile transportiert. Der komplexe Wiederzusammenbau von SPHERE wurde im Mai 2014 abgeschlossen. Mittlerweile ist das Instrument an der "Unit 3" des in den chilenischen Anden befindlichen Very Large Teleskops (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) montiert und hat erst kürzlich seine Premiere - das First Light - erlebt.

Während der damit verbundenen Beobachtungen wurden mehrere Testobjekte mit den verschiedenen Betriebsmodi von SPHERE beobachtet und abgebildet. Neben dem Saturnmond Titan wurde hierfür auch der etwa 220 Lichtjahre von unserem Sonnensystem befindliche Stern HR 4796A ausgewählt, welcher von einer Staubscheibe umgeben ist, in der offenbar gerade die Phase der Planetenbildung abläuft.

ESO, J.-L. Beuzit et al., SPHERE Consortium

Bild vergrößernDiese Infrarotaufnahme zeigt den Staubring um den Stern HR 4796A im südlichen Sternbild Centaurus. Es handelt sich dabei um eine der ersten Aufnahmen, die mit dem SPHERE-Instrument erstellt wurden, nachdem es im Mai 2014 am Very Large Telescope der ESO angebracht wurde. Die Aufnahme zeigt nicht nur den Ring selbst sehr klar, sondern demonstriert auch die Fähigkeit von SPHERE beim Reduzieren des grellen Scheins des sehr hellen Sterns.
(Bild: ESO, J.-L. Beuzit et al., SPHERE Consortium)
In dieser Staubscheibe wurden erst im Dezember 2007 komplexe organische Moleküle - sogenannte Tholine - entdeckt. Die entsprechende Aufnahme zeigt nicht nur den Staubring, welche den Stern HR 4796A umgibt, in außergewöhnlicher Klarheit. Sie verdeutlicht auch wie gut SPHERE das Leuchten des hellen Sterns im Zentrum der Aufnahme unterdrücken kann.

Markus Feldt vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MRIA) in Heidelberg, der stellvertretende Projektleiter von SPHERE, äußert sich dementsprechend begeistert: "Bei einem derart komplizierten Zusammenspiel verschiedener Techniken müssen instrumentelle Artefakte mit höchster Sorgfalt herauskalibriert werden. Es ist umwerfend zu sehen, dass unser doch recht komplexer Satz an Hard- und Softwarewerkzeugen gleich beim ersten Versuch nahezu fehlerfrei funktioniert hat!"

"SPHERE ist ein äußerst komplexes Instrument. Dank der harten Arbeit einer Vielzahl von Mitarbeitern, die bei seiner Entwicklung, dem Bau und der Montage beteiligt waren, hat es unsere Erwartungen bereits jetzt übertroffen. Einfach wundervoll!" ergänzt Jean-Luc Beuzit vom Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble/Frankreich, der Projektleiter von SPHERE.

Nach dem Abschluss von weiteren ausführlichen Tests, welche auch wissenschaftliche Beobachtungen beinhalten werden, soll das SPHERE-Instrument noch im Laufe des Jahres 2014 den vollen wissenschaftlichen Betrieb aufnehmen und damit den professionellen Astronomen zugänglich gemacht werden.

"Dies ist lediglich der Anfang. SPHERE ist ein einzigartig leistungsfähiges Werkzeug und wird in den folgenden Jahren zweifellos viele aufregende Überraschungen liefern", schließt Jean-Luc Beuzit. Es wird erwartet, dass das Instrument die Erforschung von Exoplaneten und von zirkumstellaren Scheiben, in denen gerade die Phase der Planetenbildung abläuft, revolutionieren wird.

ESO, J.-L. Beuzit et al., SPHERE Consortium

Bild vergrößernDie Atmosphäre des Saturnmondes Titan beinhaltet eine ausgedehnte Dunstschicht, welche das sichtbare Sonnenlicht reflektiert. Anders als im Nahinfraroten kann man im sichtbaren Licht (links) also nicht bis auf die Oberfläche des Saturnmonds hinabschauen. Das vom Dunst gestreute Licht ist allerdings stark polarisiert, genau wie der blaue Himmel, den man von der Erdoberfläche aus sieht. Das SPHERE-Instrument ist mit hochempfindlichen Polarimetern ausgestattet, die messen, wie stark das Licht polarisiert ist (rechts). Besonders am Mondrand tritt starke Polarisation durch die Dunstpartikel auf. SPHERE ist mit dieser polarimetrischen Messtechnik besonders empfindlich für das reflektierte Licht von extrasolaren Planeten.
(Bild: ESO, J.-L. Beuzit et al., SPHERE Consortium)
An der Entwicklung und dem Bau von SPHERE war ein internationales Konsortium beteiligt, dem folgende Institute und Organisationen angehören: Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble, Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique de l’Observatoire de Paris, Laboratoire Lagrange in Nizza, ONERA, Observatoire de Genève, Istituto Nazionale di Astrofisica.

Koordiniert wurde diese Arbeit vom Osservatorio Astronomico di Padova, dem Institut für Astronomie an der ETH Zürich, dem Astronomischen Institut der Universität Amsterdam, der Netherlands Research School for Astronomy (NOVA-ASTRON) und der ESO.

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