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Universität zu Köln
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Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

I. Physikalisches Institut

Sonderforschungsbereich 494

Teilprojekt D2

Das Prinzip der Heterodynbeobachtung wird bereits seit den 70er Jahren für astronomische Beobachtungen im Infrarot-Bereich genutzt. Hierbei war der beobachtbare Frequenzbereich jedoch stark eingeschränkt, da die verwendeten Systeme auf Gaslaser Basis nicht kontinuierlich durchstimmbar waren. Selbst bei Verwendung aller Isotope des verwendeten Lasergases CO2 konnten nur etwa 15% des Frequenzbereiches zwischen 9 und 12µm abgedeckt werden. Diese Einschränkung konnte seit ca. 1980 durch die Verwendung von Halbleiter-Diodenlasern (TDL) als Lokaloszillatoren (LO) überwunden werden, deren Verwendung allerdings einen wesentlich größeren technischen Aufwand erfordert. In den meisten Arbeitsgruppen wurde daher die Entwicklung Diodenlaser gepumpter Systeme zum Beginn der 1990er Jahre eingestellt. Lediglich einige Projekte zur Beobachtung der Erdatmosphäre wurden weitergeführt. In Köln wurde der Durchbruch in Bezug auf die Empfindlichkeit des Systems durch Einführung eines konfokalen Ringresonators zur Strahlüberlagerung, des so genannten Diplexers, erreicht. Die Überprüfung der System-Langzeitstabilität sowie die genau Untersuchung des Rauschverhaltens stand 1999 jedoch noch aus. Auch der zur Verfügung stehende Aufbau des Gerätes war für einen mobilen Einsatz nur bedingt geeignet.

Der Frequenzbereich, der 1999 durch TDLs abgedeckt wurde erstreckte sich etwa von 3-25µm. In weiten Bereichen reicht die Leistung derartiger Dioden allerdings nicht aus, um sie als LO zu verwenden. Im Bereich von etwa 5-17µm zeichnete sich zusätzlich auch die Herstellung neu entwickelter Quanten-Kaskaden-Laser (QCL) ab. Für den gesamten Bereich existierten prinzipiell auch Detektoren, hauptsächlich Photodioden aus InP oder HgCdTe, bei denen der Strahlungsnachweis auf Basis des Photoeffektes stattfindet. Große Hoffnungen wurden aber auch in die Weiterentwicklung von Hot-Electron-Bolometern (HEB) gesetzt. HEBs stellen einen wesentlich größeren ZF-Bereich zur Verfügung, als Photodetektoren. Bolometer sind bereits für THz Beobachtungen im Einsatz und werden im Rahmen des Teilprojektes D4 auch in unserem Institut hergestellt und untersucht.

Durch die Bereitstellung eines durchstimmbaren Empfängers für den mittleren Infrarotbereich, werden nun hochauflösende Beobachtungen an einigen aus astrophysikalischer Sicht interessanten Molekülen möglich, die in anderen Bereichen des Spektrums nicht beobachtet werden können. Der interessanteste Kandidat ist hier der molekulare Wasserstoff (H2), dessen Rotationsübergänge aufgrund des fehlenden Dipolmomentes nicht im Radiobereich, sondern im IR-Bereich liegen. Die S0(0) und S0(1) Quadropolübergange bei 28.2 bzw 17.1µm sind dabei von besonderem Interesse. Hier könnte sich eine viel versprechende Möglichkeit ergeben, die Säulendichte von kaltem H2 direkt zu messen und somit eine wesentliche Unsicherheit in vielen astrophysikalischen Modellen zu eliminieren. Dazu Bedarf es einer relativ hohen Frequenzauflösung, da die Linienbreiten im kalten interstellaren Material nur einige km/s betragen können. Dies macht Heterodyn-Beobachtungen zum Mittel der Wahl. Aber auch eine Reihe weiterer Moleküle ohne permanentes Dipolmoment, wie z.B. CH4, C2H6, C3H4 und andere haben zahlreiche Übergänge im mittleren Infrarotbereich. Hochaufgelöste Beobachtungen Letzterer sind bereits vor 15 Jahren zu einem besseren Verständnis der interstellaren Kohlen-Wasserstoff Chemie vorgeschlagen worden. Auch wenn die geringe Bandbreite von zurzeit 1.4GHz zu gewissen Einschränkungen führt, lassen sich derartige molekulare Emissions- und Absorptionslinien in einer Reihe von Objekten nachweisen. Ein interessantes Untersuchungsgebiet findet sich in Planetenatmosphären. Aus den in der Stratosphäre vorliegenden Druck- und Temperaturverhältnisse resultieren schmale Linien sowohl in Absorption als auch in Emission. Viele Untersuchungen sind nur von SOFIA aus zu verwirklichen, aber auch interessante erdgebundene Beobachtungen sind denkbar. Die nächste Generation von Teleskopen könnte hier sogar den Blick auf Planeten außerhalb unseres Sonnensystems ermöglichen. Als Beispiele seien aber auch Messungen an klimarelevanten stratosphärischen Spurengasen, wie z.B. ClO oder CH4 und auch Untersuchungen des Sonnenspektrums, z.B. an hochangeregten Wassermolekülen in Sonnenflecken, genannt.