Hochaufgelöster Infrarot-Blick ins Universum

Im Februar 2018 konnte der erste erfolgreiche Einsatz (“First Light”), mit dem neuen Instrument durchgeführt werden. Das Ergebnis krönt die langjährige Arbeit einer großen Anzahl von europäischer Ingenieure und Astronomen, darunter auch der Forschungsgruppe “Infrarot-Interferometrie” am Bonner MPIfR.

MATISSE ist ein Interferometrie-Instrument der zweiten Generation für das „Very Large Telescope Interferometer” (VLTI), das Beobachtungen mit extrem hoher Winkelauflösung ermöglicht. Es kombiniert abbildende und spektroskopische Interferometrie im mittleren Infrarot von 3 bis 5 Mikrometer Wellenlänge (das L- und M-Band) und von 8 bis 13 Mikrometer Wellenlänge (N-Band).

MATISSE baut auf der Erfahrung auf, die mit den VLTI-Instrumenten der ersten Generation wie z.B. AMBER und MIDI gewonnen wurde, geht aber wesentlich weiter in der Fähigkeit zur Erzeugung detaillierter Bilder bei hoher Auflösung. Das Instrument nutzt die Verbindung mehrerer Teleskope und die Wellennatur des Lichts, um so detailgenauere Bilder von Himmelsobjekten zu erhalten als mit jedem vorhandenen oder geplanten Einzelteleskop im gleichen Wellenlängenbereich möglich wäre.

Die Erzeugung von hochaufgelösten Bildern im Infraroten stellt eine große technische Herausforderung dar, ermöglicht aber auch spektakuläre Ergebnisse wie die Entdeckung von planetenbildenden Scheiben um junge Sterne, aufgelöste Bilder der Oberfläche von Sternen oder von Staubscheiben um die Kernbereiche von aktiven Galaxien.

Das Zielobjekt für die First-Light-Beobachtung mit MATISSE war der helle Stern Sirius (Abb. 1). Abb. 2 zeigt das ESO VLT auf dem Cerro Paranal, das aus vier großen Teleskopen mit jeweils 8,20 m Spiegeldurchmessern (Unit Telescopes oder UTs) sowie aus vier kleineren Teleskopen mit jeweils 1,80 m Spiegeldurchmesser (Auxiliary Telescopes, ATs) besteht.

Aufgrund der technischen Herausforderungen gab es vor MATISSE nur einige wenige Interferometer im mittelinfraroten Spektralbereich: das SOIRDETE-Prototyp-Instrument auf dem Plateau de Calern in Frankreich, das ISI-Interferometer der Berkeley-Universität in Kalifornien, das Keck-Interferometer auf dem Mauna Kea/Hawaii sowie das MIDI-Instrument der ESO, ebenfalls am VLT. MATISSE ist für einen weiten Bereich von wissenschaftlichen Zielen ausgelegt, wobei die Untersuchung von Gas- und Staubscheiben um junge Sterne und die Kerne von aktiven Galaxien einen Schwerpunkt darstellt.

MATISSE verfügt über ein weltweit einzigartiges Leistungsvermögen: es eröffnet die sogenannten L- und M-Bänder bei Infrarotwellenlängen von 3,0 bis 4,1 bzw. 4,6 bis 5,0 Mikrometer für Infrarot-Interferometrie mit großen Basislinien. Die Winkelauflösung im L-Band beträgt 3 Millibogensekunden; das entspricht nur einem Drittel des Abstands Erde-Sonne bei einem Stern in über 300 Lichtjahren Entfernung.

Mit unterschiedlichen spektralen Auflösungen in einem Bereich zwischen 30 und 5000 kann MATISSE charakteristische Spektrallinien von Atomen und Molekülen in Sternen und Galaxien unterscheiden. Außerdem kann MATISSE hochaufgelöste Bilder im mittleren Infrarot mit der Methode der Apertursynthese mit bis zu vier Teleskopen des VLT (entweder 8,20-m-UT oder 1,80-m-AT) erzeugen.

„Mit einzelnen Teleskopen lässt sich eine maximale Auflösung erreichen, die durch den Durchmesser der Teleskopspiegel vorgegeben ist. Um eine noch höhere Auflösung zu erreichen, kombinieren oder besser gesagt interferieren wir das Licht von vier der VLT-Teleskope”, sagt Bruno Lopez vom „Observatoire de la Côte d'Azur” in Nizza, der leitende Wissenschaftler des MATISSE-Projekts. “Diese interferometrische Technik ermöglicht uns eine sehr hohe Winkelauflösung, die proportional zum Abstand zwischen den beteiligten Teleskopen ist. Damit liefert MATISSE die schärfsten Bilder überhaupt im Wellenlängenbereich von 3 bis 13 Mikrometer.”

„MATISSE ermöglicht uns neben der hohen räumlichen Auflösung gleichzeitig eine hohe spektrale Auflösung”, fügt Gerd Weigelt, vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie hinzu, der als Ko-Investigator an der Entwicklung des Instruments beteiligt war. „So können wir unsere Untersuchungen in vielen spektralen Kanälen innerhalb von Spektrallinien durchführen und dadurch sogar die Geschwindigkeitsverteilung in unseren Objekten messen; das ist sehr wichtig für die Erforschung der physikalischen Eigenschaften dieser Objekte.”

Der Wellenlängenbereich von MATISSE liefert hochaufgelöste Bilder im mittleren Infrarotbereich zum direkten Vergleich mit Bildern entsprechender Auflösung bei Submillimeter-Wellenlängen, die durch das „Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array” (ALMA) zur Verfügung stehen. MATISSE stellt einerseits das Nachfolgeinstrument für MIDI, das „MID-infrared Interferometric instrument” am VLT dar, andererseits aber auch den Vorläufer für das zukünftige METIS-Instrument am „Extremely Large Telescope” (ELT).

Die erfolgreiche Durchführung der „First-Light-Beobachtung” mit MATISSE wurde möglich durch harte und engagierte Arbeit von vielen Ingenieuren und Wissenschaftlern an den beteiligten Instituten. Zusammen mit dem ebenfalls am VLT betriebenen GRAVITY-Instrument ist MATISSE ein äußerst komplexes und herausforderndes Interferometrie-Gerät: 3 Tonnen Gesamtgewicht mit mehr als 10 000 auf Mikrometer-Genauigkeit gefertigten Einzelelementen in einem Volumen von 20 Kubikmetern

Weitere Testbeobachtungen mit MATISSE werden im Verlauf des Jahres 2018 erfolgen, bevor Anfang 2019 der normale Beobachtungsbetrieb beginnt, in dem MATISSE allen ESO-Astronomen zur Verfügung steht.

Design, Finanzierung und Aufbau von MATISSE erfolgten in enger Zusammenarbeit mit der Europäischen Südsternwarte (ESO) im Rahmen eines Konsortiums von Forschungsinstituten aus Frankreich (INSU-CNRS in Paris und OCA in Nizza, dem Institut des PI-Teams), Deutschland (MPIA, MPIfR und Universität Kiel), den Niederlanden (NOVA und Universität Leiden), sowie Österreich (Universität Wien). Das Konkoly-Observatorium (Ungarn) und die Universität zu Köln haben ebenfalls zum Aufbau des Instruments beigetragen.

Lokaler Kontakt:

Prof. Dr. Gerd Weigelt,
Leiter der Forschungsgruppe „Infrarot-Interferometrie“
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-243
E-mail: gweigelt@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Udo Beckmann
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-321
E-mail: ubeckmann@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Norbert Junkes,
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-399
E-mail: njunkes@mpifr-bonn.mpg.de

https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2018/3