Quelle: ESO.

Die Vielseitigkeit von ERIS wird sich für viele Bereiche der astronomischen Forschung eignen, denn sie zielt darauf ab, mit der Nutzung eines einzelnen 8,2-Meter-Teleskops die derzeit schärfsten Bilder zu erlangen. Das geschieht durch den Gebrauch adaptiver Optik, einer Technik, die die verzerrenden Effekte der Erdatmosphäre in Echtzeit korrigiert. ERIS wird mindestens zehn Jahre aktiv sein und soll bedeutungsvolle Beiträge zu einer Vielzahl an astronomischen Themen leisten, die von entfernten Galaxien und schwarzen Löchern bis zu Exoplaneten und Zwergplaneten in unserem eigenen Sonnensystem reichen.

„Wir erwarten nicht nur, dass ERIS seine wissenschaftlichen Hauptziele erfüllt“, erläutert Harald Kuntschner, der ESO-Projektwissenschaftler für ERIS, „sondern dass es aufgrund seiner Vielseitigkeit auch für eine weite Bandbreite anderer wissenschaftlicher Fälle genutzt wird und dabei hoffentlich zu neuen und unerwarteten Ergebnissen führt.“

Die allerersten Testbeobachtungen mit ERIS wurden dieses Jahr im Februar durchgeführt, weitere folgten im August und im November, um die Grenzen des Instruments zu testen. Eine dieser Messungen zeigt den inneren Ring der Galaxie NGC 1097, die sich 45 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Fornax (Chemischer Ofen) befindet. Dieser gas- und staubreiche Ring liegt genau im Zentrum der Galaxie; die hellen Flecken darin sind Stern-Kinderstuben, die hier in beispiellosem Detail gezeigt werden. Das leuchtende Zentrum zeigt das aktive Herz der Galaxie, ein supermassereiches schwarzes Loch, das sich von seiner Umgebung ernährt. Um die Auflösung von ERIS ins Verhältnis zu setzen, zeigt dieses Bild detailliert einen Teil des Himmels, das weniger als 0,03 % der Größe des Vollmondes beträgt.

Am Hauptteleskop 4 des VLT montiert, wird ERIS die Rolle der sehr erfolgreichen NACO– und SINFONI-Instrumente übernehmen und der Einrichtung für das kommende Jahrzehnt einige grundlegende Verbesserungen bringen.

ERIS verfügt über eine hochmoderne Infrarot-Kamera, das Near Infrared Camera System (kurz NIX), das verwendet wurde, um den inneren Ring in NGC 1097 abzubilden. NIX wird eine neue und einzigartige Sicht auf viele verschiedene astronomische Objekte bieten, wie etwa Exoplaneten und die Scheiben aus Gas und Staub um junge Sterne. Es kann eine Koronografie genannte Technik nutzen, die ähnlich wie eine Sonnenfinsternis das Licht von Sternen blockiert und es uns erlaubt, die schwachen Planeten um sie herum zu beobachten.

ERIS verfügt auch über einen 3D-Spektrografen namens SPIFFIER, ein Upgrade von SINFONIs SPIFFI (SPectrometer for Infrared Faint Field Imaging). SPIFFIER sammelt ein Spektrum von jedem einzelnen Pixel in seinem Sichtfeld. Das wird es Astronom*innen erlauben, zum Beispiel die Dynamik entfernter Galaxien in unglaublichen Details zu untersuchen oder die Geschwindigkeiten von Sternen zu messen, die das supermassereiche schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße umkreisen, was ein Schlüssel zum Testen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist und zum Verständnis der Physik schwarzer Löcher.

Das Modul der Adaptiven Optik von ERIS ist mit Sensoren ausgestattet, um atmosphärische Turbulenzen im laufenden Betrieb zu analysieren, indem entweder eine echte astronomische Quelle überwacht wird oder ein künstlicher Laser-Leitstern. Es sendet diese Informationen bis zu tausend Mal pro Sekunde zum verformbaren Sekundärspiegel des VLT, der die Unschärfe dann in Echtzeit korrigiert, sodass detailliertere Bilder entstehen.

„ERIS haucht der fundamentalen Bildgebung- und Spektroskopie-Fähigkeit der Adaptiven Optik des VLT neues Leben ein“, ergänzt Ric Davies, Projektleiter des ERIS-Konsortiums und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. „Dank der Bemühungen aller über die Jahre an diesem Projekt Beteiligten können nun viele wissenschaftliche Projekte von der exquisiten Auflösung und Empfindlichkeit profitieren, die das Instrument erreichen kann.“

ERIS wurde zusammen mit der ESO unter der Führung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik von einem Konsortium entworfen und gebaut, zu dem das INAF Osservatorio Astrofisico di Arcetri (Italien) sowie das UK Astronomy Technology Centre, die ETH Zürich und NOVA (Niederlande) gehören.

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• Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile

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Quelle: ESO.

Die Vielseitigkeit von ERIS eignet sich für viele Bereiche der astronomischen Forschung und soll die schärfsten Bilder liefern, die bisher mit einem einzigen Teleskop der 8,2-Meter-Klasse aufgenommen wurden, sobald es in Betrieb ist. Es wird erwartet, dass ERIS einen großen Beitrag zur Erforschung entfernter Galaxien, des galaktischen Zentrums, unseres Sonnensystems und von Exoplaneten leisten wird.

„Das Ziel von ERIS ist es, mehr Objekte mit einer feineren Bildauflösung und besserer Bildqualität zu sehen“, sagt Harald Kuntschner, Projektwissenschaftler der ESO für das ERIS-Instrument. „Wir werden mit dem Instrument erhebliche Fortschritte machen, insbesondere bei der adaptiven Optik, der spektralen Auflösung und der Abdeckung des nahen Infrarots.“

Die neue, empfindlichere Technologie von ERIS wird die erfolgreichen Instrumente NACO und SINFONI ablösen, die seit Anfang der 2000er Jahre am VLT eingesetzt werden. ERIS soll nach dem ersten Licht für 10 Jahre arbeiten.

ERIS-SPIFFER, Spektrograf

Der Spektrograph von ERIS, genannt ERIS-SPIFFIER, ist eine überarbeitete Version des SPIFFI-Instruments (SPectrometer for Infrared Faint Field Imaging) von SINFONI. ERIS-SPIFFIER ist ein Integralfeldspektrograph, der ähnlich wie SPIFFI arbeitet. Jedes Pixel des Spektrographen ist in der Lage, ein vollständiges Spektrum zu erfassen, d. h. die Intensität jeder vom Instrument gemessenen Wellenlänge. Die gesammelten Daten sind mehrdimensional und enthalten eine Vielzahl von Informationen, die die Astronomen analysieren können. Diese Art von Spektrographen ermöglicht es den Astronomen, die relative Position der einzelnen Teile des Zielobjekts im Raum zu bestimmen. In Verbindung mit der Beobachtungswellenlänge im Infraroten kann diese Art der Spektroskopie den Astronomen zum Beispiel ermöglichen, den Spin, die Struktur und den Inhalt von hochverschobenen Galaxien zu untersuchen. Ein höher auflösendes Gitter auf dem Spektrographen, das zur Aufspaltung des einfallenden Lichts verwendet wird, um ein Spektrum zu erfassen, funktioniert ähnlich wie ein Prisma, das Licht in verschiedene Farben aufspaltet.

„Solche räumlichen Auflösungen hat es mit einem Integralfeldspektrographen noch nicht gegeben“, sagt Kuntschner. „Wir planen, mit dieser Technik räumliche Auflösungen an der Grenze dessen zu erreichen, was ein Teleskop der 8-Meter-Klasse leisten kann.“

ERIS-NIX, Infrarot-Bildaufnehmer

Der Imager auf ERIS ist das Nahinfrarot-Kamerasystem (NIX), die nächste Generation des Infrarot-Imagers für das VLT. Die Astronomen können den Imager in zwei Hauptmodi nutzen. Ein Modus ist die für direkte Aufnahme von astronomischen Objekten. Ein anderer Modus ist die Koronagraphie, eine Beobachtungstechnik, bei der das direkte Licht eines Sterns unterdrückt wird. Mit dieser Technik auf ERIS-NIX können Astronomen Exoplaneten und Gas- und Staubscheiben um junge Sterne beobachten.

ERIS-NIX ist in der Lage, Daten im nahen Infrarotbereich zwischen 3000 und 5000 Nanometern zu sammeln, einem Wellenlängenbereich, der vom Boden aus wegen der überschüssigen Lichtinterferenzen am Himmel besonders schwer zu beobachten ist. ERIS ist damit eines der wenigen bodengebundenen Instrumente mit dieser Wellenlängenabdeckung an einem 8-Meter-Teleskop, und die Beobachtung bei diesen Wellenlängen ermöglicht einen neuen und einzigartigen Blick auf Exoplaneten und Galaxien.

ERIS und die Anlage für adaptive Optik

ERIS ist auch mit einem Modul für adaptive Optik ausgestattet, das mit der 2017 auf Yepun installierten Adaptive Optics Facility (AOF) zusammenarbeitet. Die adaptive Optik korrigiert in Echtzeit atmosphärische Turbulenzen, die das Sternenlicht verzerren, um eine wesentlich schärfere Bildqualität zu ermöglichen, und ist ein wichtiger Bestandteil moderner bodengebundener astronomischer Beobachtungen. Die AOF-Funktionen in Verbindung mit dem Modul ermöglichen es ERIS, die schärfsten Daten zu erfassen, die mit dem Instrument möglich sind, und einen größeren Teil des Himmels abzudecken als frühere VLT-Instrumente.

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• Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik 17. Mai 2022.

17. Mai 2022 – Beobachtungen haben zum ersten Mal gezeigt, dass sich ein Stern, der das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße umkreist, genauso bewegt, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein vorhersagt. Seine Umlaufbahn hat die Form einer Rosette und nicht die einer Ellipse, wie es die Newton’sche Gravitationstheorie vorhersagt. Dieser Effekt, bekannt als Schwarzschild-Präzession, wurde noch nie für einen Stern um ein supermassereiches Schwarzes Loch gemessen. Diese künstlerische Darstellung veranschaulicht die Präzession der Sternenbahn, wobei der Effekt zur leichteren Veranschaulichung stark übertrieben ist.

Im Jahr 2018 beobachtete das GRAVITY-Experiment den Verlauf verschiedener Phänomene in der Nähe von Sagittarius A, (oder Sgr A) einem supermassereichen und daher gravitativ gefräßigen, unsichtbaren Objekt im Zentrum unserer Galaxie. Dank Eisenhauers technischer Innovationen fand das GRAVITY-Team heraus, dass die Bewegung von Sternen und Gas in der Nähe des galaktischen Zentrums mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmt, die mit der Existenz eines Schwarzen Lochs vereinbar sind. Eisenhauers Mentor und langjähriger Mitarbeiter Reinhard Genzel teilte sich den Nobelpreis für Physik 2020 mit Andrea Ghez und Roger Penrose für seine Beiträge zur Erforschung von Sagittarius A* (Sgr A*).

GRAVITY geht auf ein früheres Experiment zurück, bei dem Eisenhauer eine bahnbrechende Technologie für die abbildende Spektroskopie entwickelte – die Messung, wie Materie die Absorption und Emission von Licht beeinflusst. Das Instrument ist ein Teil von SINFONI, dem „Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared“ am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO auf dem Mount Paranal in Chile. Es beinhaltet eine adaptive Optik zur Korrektur der von der turbulenten Erdatmosphäre verursachten Bildunschärfe, das unter der Leitung von Henri Bonnet entwickelt wurde. Im Jahr 2003 begann SINFONI mit der Beobachtung von Sternen, die unter dem großen Gravitationseinfluss von Sgr A* ihre extrem schnellen, stark exzentrischen Bahnen ziehen.

Zwei Jahre später diskutierte die Gruppe deutscher und französischer Forscher um Eisenhauer und Genzel, Stefan Gillessen, Pierre Lena, Guy Perrin und Thibaut Paumard, die Möglichkeit, ein besonderes, zukünftiges Ereignis mit dem Stern S2 zu beobachten. Nachdem sie die genaue Umlaufbahn von S2 nach dem ersten Vorbeiflug im Jahr 2002 gemessen hatten, konnten sie berechnen, dass der Stern S2 dem galaktischen Zentrum im Jahr 2018 wieder am nächsten kommen würde – bei einer Entfernung von nur 17 Lichtstunden. Durch die Kombination aller vier 8-Meter-Teleskope am Paranal (durch einen Prozess, der Interferometrie genannt wird) würde das Experiment die tausendfache Verbesserung der Empfindlichkeit gegenüber früheren Interferometern erreichen, die notwendig ist, um die relativistischen Effekte nahe SgrA* zu messen.

„Dieses Projekt wurde von einigen als technisch unmöglich angesehen“, schrieb einer der Wissenschaftler, die Eisenhauer für den diesjährigen Gruber-Kosmologiepreis vorgeschlagen haben. Die Befürworter des Projekts argumentierten jedoch, dass, selbst wenn das Experiment seine Ziele nicht erreichen sollte, jeder technologische Fortschritt von allgemeinem Nutzen sein würde. Insbesondere Tim de Zeeuw und Andreas Kaufer von der Europäischen Südsternwarte unterstützten das kühne Projekt und das Team um Julien Woillez beim Upgrade des Interferometers. Eisenhauers Entwürfe revolutionierten in der Tat mehrere Arten von Instrumenten, darunter abbildende Detektoren, Lasermesstechnik und die gleichzeitige interferometrische Beobachtung von zwei Objekten.

Die GRAVITY-Kollaboration, bestehend aus dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, LESIA an der Pariser Sternwarte, IPAG an der Universität Grenoble, dem Max-Planck-Institut für Astronomie, der Universität Köln, dem Zentrum für Astrophysik und Gravitation in Portugal und der Europäischen Südsternwarte, stellte das Instrument gerade noch rechtzeitig fertig, und die ersten Ergebnisse können, wie ein vorschlagender Wissenschaftler schrieb, „nur als überwältigend und bahnbrechend für viele Bereiche der Astrophysik bezeichnet werden.“

Zu diesen Ergebnissen gehören: die präzise Messung der Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie von Sgr A* auf S2, sowie die Beobachtungen von Gas, das sich in der Nähe der „letzten stabilen Umlaufbahn“ befindet – dem Punkt, wo es der Gravitationsanziehung von Sgr A* nicht mehr entgehen kann und für immer aus dem Blickfeld verschwindet. Zusammengenommen liefern diese Daten genügend Beweise, um die Gemeinschaft der Astronomen davon zu überzeugen, dass Sgr A* tatsächlich ein Schwarzes Loch ist.

Zu den weiteren bedeutenden Beiträgen von GRAVITY zur Astronomie gehören: Die Messung der Entfernung zwischen der Sonne und dem galaktischen Zentrum mit einer Genauigkeit, die zehnmal höher ist als bei früheren Messungen (andere Astronomen nutzen diese Kalibrierung als zuverlässigen ersten Schritt um die Entwicklung des Universums auf den größten Skalen nachzuverfolgen). Ein Test von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie unter Verwendung supermassereicher schwarzer Löcher mit der bisher höchsten Präzision.

Wie von den Unterstützern von GRAVITY erhofft, haben Eisenhauers technologische Innovationen – für die er den Gruber-Preis für Kosmologie 2022 erhält – die Astronomie verändert, und zwar über die Untersuchung von Sgr A* hinaus. Andere Astrophysiker haben bereits damit begonnen, die SINFONI- und GRAVITY-Instrumente einzusetzen, um entfernte Galaxien, schwarze Löcher in den Zentren naher Galaxien, und Planeten um Sterne in unserer eigenen Galaxie zu untersuchen.

GRAVITY wird derzeit mit einem neuen System der adaptiven Optik, Laserleitsternen und erweitertem Gesichtsfeld aufgerüstet. Dieses Projekt mit der Bezeichnung GRAVITY+ wird die optische Interferometrie schon bald auf die nächste Stufe heben und dann auch den extragalaktischen Himmel für Beobachtungen mit höchster Auflösung erschließen sowie immer schärfere Bilder für die Beobachtung von Exoplaneten liefern.

Die Entwicklung von SINFONI, GRAVITY und GRAVITY+ wurde und wird durch die großzügige Unterstützung der Max-Planck-Gesellschaft und der Max-Planck-Förderstiftung ermöglicht – einer unabhängigen, gemeinnützigen Organisation für private Förderer der Spitzenforschung in der Max-Planck-Gesellschaft.

Eisenhauer wird den mit 500.000 Dollar dotierten Preis sowie eine goldene Preisträgernadel bei einer Zeremonie am 2. August auf der XXXI. Generalversammlung der Internationalen Astronomischen Union in Busan, Korea, entgegennehmen. Zu früheren Ehrungen Eisenhauers gehören die Tycho-Brahe-Medaille der Europäischen Astronomischen Gesellschaft für seine Leitung der SINFONI- und GRAVITY-Instrumente, die Stern-Gerlach-Medaille der Deutschen Physikalischen Gesellschaft für seine Pionierarbeit auf dem Gebiet der hochauflösenden Infrarotastronomie und die Jackson-Gwilt-Medaille der Royal Astronomical Society für die Entwicklung astronomischer Instrumente. Er wurde zudem in die Französische Akademie der Wissenschaften gewählt.

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