Siegel der Universität

Universität zu Köln
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Fachgruppe Physik

I. Physikalisches Institut

The Cerro Chajnantor Atacama Telescope, CCAT-prime

CCAT-prime will be a 6-meter diameter, 10 micron precision surface telescope operating at submillimeter to millimeter wavelengths and sited at 5600 meters elevation on Cerro Chajnantor in the Atacama desert of northern Chile.

The novel crossed-Dragone optical design will deliver a high-throughput wide-field-of-view telescope capable of illuminating >105 (sub)millimeter wavelength detectors so that large areas of the sky can be scanned rapidly. The high altitude, dry site offers superb observing conditions, yielding routine access to the 350 micron atmospheric window as well as improved performance at longer wavelengths. Under the best conditions, observations in the 200 micron window will be possible. Deployment of CCAT-prime on Cerro Chajnantor will provide operational experience at high altitude, reducing risk for the future construction of a 25-meter class submillimeter telescope.

CCAT-prime will be ideally suited, due to its low error beam and large field of view, to probe tracers of the ISM and cloud/star formation over a range of environments in the Milky Way, the Magellanic Clouds and other nearby galaxies. Spectral large-scale imaging with CHAI (a high spectral resolution heterodyne array receiver being built at the Universität zu Köln, see below) of fine structure and mid- to high-excitation CO lines will serve as diagnostics of physical processes associated with star formation over large spatial scales.

The telescope is being designed and built by VERTEX Antennentechnik GmbH. The construction phase will start in 2017 and is expected to lead to first light in 2021.

Further information:

Official press release of Cornell University.

Official press release of Universität zu Köln and Universität Bonn.


The ideal black hole laboratory — Successful observations with GRAVITY and the ESO 8m Very Large Telescopes

A team of European astronomers has achieved a crucial milestone for testing Einstein's theory of general relativity with the closest supermassive black hole in the centre of our own galaxy. For the first time, the newly installed GRAVITY instrument has been used together with ESO's Very Large 8m Telescopes to observe a star orbiting the black hole on a period as short as 16 years. These tests have impressively demonstrated GRAVITY’s sensitivity to detect this star in just a few seconds of exposure time, which sets a record in optical interferometry by several magnitudes, and opens the door for observing Einstein’s general relativity at work around black holes. Both the target star and a reference star nearby show no signs of being binaries – making future measurements much less complex. This means that the team will be able in the near future to obtain ultra-precise positions of the orbiting star, and to test whether the motion around the black hole follows the laws of general relativity - or not. The new observations show that the Galactic Centre is as ideal a laboratory as one can hope for.

Located a mere 25000 light-years from the Solar System, in the Sagittarius constellation, the centre of the Milky Way hosts a massive black hole, 4 million times as heavy as the Sun. Its position and mass are well known since 2002, when the first complete orbit of the star S2 was recorded: Over the course of nearly 16 years, the star draws a tiny ellipse with a size of only 0.2 arcseconds on the sky. A football stadium placed on the moon would appear as large – or small – when seen from Earth. While with previous instruments the astronomers could measure the orbit accurately enough to determine the mass of the black hole, testing general relativity requires pinpointing the object with centimetre precision in the imaginary stadium on the moon.

Picture to the left: Image of the galactic centre. For the interferometric GRAVITY observations the star IRS 16C was used as a reference star, the actual target was the star S2. The position of the centre, which harbours the (invisible) black hole with 4 million solar masses, is marked by the red cross. (copyright: MPE)

The new instrument GRAVITY – developed in a collaboration by the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) and Astronomy (MPIA), LESIA of Paris Observatory and IPAG of Université Grenoble Alpes/CNRS, the University of Cologne, the Centro Multidisciplinar de Astrofísica Lisbon and Porto (SIM), and the European Southern Observatory (ESO) – is specifically designed for that purpose. It is an interferometer, i.e. it combines the light of the four 8-metre telescopes of the VLT on top of the mountain Paranal in the Chilean Atacama desert. To further improve GRAVITY's sensitivity in deeply embedded and dust enshrouded regions like the Galactic Centre, each of the 8-metre telescopes is also being equipped with a new Coudé Infrared Adaptive Optics (CIAO) system.

Combining the light interferometrically yields an effective resolution equal to that of a virtual telescope as big as 130 metres. The corresponding gain of a factor 15 in resolving power and precision over the 8-meter telescopes will open up the possibility for testing Einstein's theory in the Galactic Centre. Having built this ultra-precise machine over the course of the past decade, the team now faced two crucial questions: Will GRAVITY provide the required sensitivity for observing the faint stars orbiting the Galactic Centre? And would the Galactic Centre laboratory collaborate and offer clean “test particles” to accurately measure the effects predicted by Einstein’s theory of general relativity?

Picture to the right: The images at the top show the unresolved star S2 and the data obtained with GRAVITY (interferometric fringes) next to it. The images below are for resolved stars: several sources (middle) and an extended source (bottom). In these cases, the fringes are increasingly blurred; this case can be excluded from the data. (copyright;: MPE)

"It was a fantastic moment for the whole team when the light of the fast-orbiting star S2 interfered for the first time", says GRAVITY lead scientist Frank Eisenhauer from the Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics in Garching, Germany. "First we actively stabilized the interference on a bright nearby star, and only a few minutes later we could really see the interference from the faint star S2 – to a lot of high-fives.” On first glance neither the reference star nor the orbiting star have bright and massive companions, which would complicate the observations and analysis. "They are ideal probes", explains Eisenhauer.

Picture to the left: At its closest approach in 2018, the star S2 will pass by the black hole in a distance of only 17 light hours, being subject to extrem gravitational forces. (copyright: MPE)

But it was not only a technical challenge, but also a race against time: The rush for the GRAVITY observations is necessary because the star will pass closest to the black hole in 2018, where the sought-for relativistic effects are most pronounced. At this point the star will approach the black hole to a distance of only 17 light-hours, and will move at a speed of almost 8000 km/s, or 2.5% of the speed of light. That is a thousand times faster than the international space station ISS is orbiting Earth. In 2018, the S2 ellipse will change its orientation due to general relativity and will rotate in its plane by around 0.2°. This is orders of magnitude more than the relativistic effect affecting the orbit of Mercury, the Solar System’s innermost planet. The next opportunity after 2018 to observe the close passage of S2 around the black hole will only be in 2033.

Exciting times are ahead for black hole researchers!

Press release of the European Southern Observatory (ESO) with an animated video of the way of a photon through the VLTI and GRAVITY (at bottom of page).


Ideale Bedingungen für Studien am Schwarzen Loch — Erfolgreiche Beobachtungen von GRAVITY mit den 8m VLT Teleskopen der ESO

Ein Team europäischer Astronomen ist einen entscheidenden Schritt weiter um die Allgemeine Relativitätstheorie mit dem uns nächstgelegenen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße zu testen. Zum ersten Mal wurde jetzt das neu installierte GRAVITY-Instrument zusammen mit den 8-Meter VLT-Teleskopen der ESO verwendet, um einen Stern zu beobachten, der das Schwarze Loch in nur 16 Jahren einmal umkreist. Diese Tests demonstrierten eindrucksvoll die Empfindlichkeit von GRAVITY, mit dem dieser Stern in nur wenigen Sekunden Belichtungszeit nachgewiesen werden kann – ein Rekord für optische Interferometrie um mehrere Größenordnungen. Dies macht den Weg frei, Einsteins Theorie in Aktion zu sehen, direkt um ein schwarzes Loch. Sowohl das Zielobjekt als auch ein Referenzstern in der Nähe zeigen keine Hinweise darauf, Teil eines Doppelsternsystems zu sein; dies macht zukünftige Messungen viel weniger komplex. Damit wird das Team in naher Zukunft in der Lage sein, äußerst präzise Positionsmessungen des umlaufenden Stern zu erhalten, und damit zu überprüfen, ob die Bewegung um das schwarze Loch den Gesetzen der allgemeinen Relativitätstheorie folgt - oder auch nicht. Die jetzigen Beobachtungen zeigen, dass das galaktische Zentrum wie erhofft, das ideale Labor ist.

Nur 25.000 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt, im Sternbild Schütze, liegt das Zentrum der Milchstraße mit einem schwarzen Loch, das 4 Millionen mal so schwer ist wie die Sonne. Seine Existenz ist seit 2002 bekannt, als die Umlaufbahn des Sterns S2 bestimmt werden konnte: Im Laufe von 16 Jahren zieht der Stern eine winzige Ellipse am Himmel mit einer Größe von nur 0,2 Bogensekunden. Wenn man ein Fußballstadion auf dem Mond platzieren würde, schiene es ebenso so groß - oder so klein - wenn man von der Erde darauf blickt. Zwar konnten die Astronomen mit bisherigen Instrumenten die Umlaufbahn genau genug vermessen, um die Masse des Schwarzen Lochs zu bestimmen; um aber die allgemeine Relativitätstheorie zu testen muss man viel genauer messen - so genau als ob man Objekte auf dem Mond zentimetergenau im imaginären Stadion ausfindig machen muss.

linkes Bild: Bild des galaktischen Zentrums. Der Stern IRS 16C wurde als Referenzobjekt benutzt, das eigentliche Zielobjekt war der Stern S2. Die Position des Zentrums, in dem sich ein (unsichtbares) schwarzes Loch mit 4 Millionen Sonnenmassen befindet, ist durch das rote Kreuz markiert (copyright: MPE).

Das neue Instrument GRAVITY - entwickelt in einer Zusammenarbeit der Max-Planck-Institute für extraterrestrische Physik (MPE) und Astronomie (MPIA), LESIA am Observatorium von Paris und IPAG an der Université Grenoble Alpes/CNRS, der Universität zu Köln, Centro Multidisciplinar de Astrofísica Lisbon and Porto (SIM), und der Europäischen Südsternwarte (ESO) - ist speziell für diesen Zweck entwickelt worden. GRAVITY ist ein Interferometer und kombiniert das Licht der vier 8-Meter-Teleskope des VLT auf dem Gipfel des Berges Paranal in der chilenischen Atacama-Wüste. Um die Empfindlichkeit GRAVITY in dichten und vom Staub verhüllten Regionen wie dem galaktischen Zentrum weiter zu verbessern, wird außerdem jedes der 8-Meter-Teleskope mit einem neuen Coudé Infrarot Adaptive Optics (CIAO) System ausgerüstet.

Kombiniert man das Licht interferometrisch ergibt sich eine effektive Auflösung, die derjenigen eines virtuellen Teleskops mit 130 Meter Durchmesser entspricht. Daraus ergibt sich eine Verbesserung von einem Faktor 15 bei Auflösung und Präzision gegenüber den 8-Meter-Teleskopen, und dies macht es möglich Einsteins Theorie im galaktischen Zentrum zu überprüfen. Nachdem in den letzten zehn Jahren diese ultrapräzise Maschine entwickelt und gebaut wurde, stand das Team nun vor zwei entscheidenden Fragen: Wird GRAVITY die erforderliche Empfindlichkeit für die Beobachtung der schwachen Sterne um das galaktische Zentrum erreichen? Und würde das galaktische Zentrum als Labor kooperieren und saubere "Testteilchen" bieten, damit die vorhergesagten Auswirkungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie tatsächlich gemessen werden könnten?

rechtes Bild: Die beiden Bilder oben zeigen den nicht aufgelösten Stern S2 und die mit GRAVITY erhaltenen Daten daneben (interferometrische „Fringes“). Die anderen Bilder sind für aufgelöste Sterne: mehrere Sterne (Mitte) und eine ausgedehnte Quelle (unten). Hier sind die Fringes zunehmend unscharf; dieser Fall kann bei den S2-Daten ausgeschlossen werden. (copyright: MPE)

"Es war ein großartiger Moment für das ganze Team, als sich das Licht des Sterns S2 zum ersten Mal überlagerte", sagt der leitende Wissenschaftler für GRAVITY, Frank Eisenhauer vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München, Deutschland, begeistert. "Zuerst stabilisierten wir aktiv die Interferenz an einem hellen, nahe gelegenen Stern, und nur wenige Minuten später konnten wir tatsächlich die Interferenz des schwachen Sterns S2 sehen – wir haben es geschafft!" Auf den ersten Blick zeigen weder der Referenzstern noch S2 helle und massereiche Begleiter, die Beobachtung und Analyse erschweren würden. "Es sind ideale Probekörper", erklärt Eisenhauer.

linkes Bild: Bei seinem nächsten Vorbeiflug am Schwarzen Loch wird der Stern S2 nur 17 Lichtstunden entfernt sein und extremer Schwerkraft ausgesetzt. (copyright: MPE)

Es war aber nicht nur eine technische Meisterleistung, sondern auch ein Wettlauf gegen die Zeit: Die GRAVITY-Beobachtungen sind dringend jetzt notwendig, weil der Stern dem Schwarzen Loch 2018 am nächsten kommen wird, wo die gesuchten relativistischen Effekte am stärksten ausgeprägt sind. An diesem Punkt wird sich der Stern dem schwarzen Loch auf eine Entfernung von nur 17 Lichtstunden nähern, und mit einer Geschwindigkeit von fast 8000 km/s oder 2,5% der Lichtgeschwindigkeit daran vorbei sausen. Das ist tausendmal schneller als die internationale Raumstation ISS die Erde umkreist. Im Jahr 2018 wird die S2-Ellipse ihre Orientierung aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie ändern und sich in ihrer Ebene um etwa 0,2° drehen. Dieser relativistische Effekt ist um viele Größenordnungen stärker als etwa bei der Umlaufbahn des Merkur, des innersten Planeten im Sonnensystem. Die nächste Gelegenheit nach 2018, einen nahen Vorbeiflug von S2 um das schwarze Loch zu beobachten, wird erst 2033 sein.

Aufregende Zeiten warten auf Forscher am schwarzen Loch!

Pressemitteilung der Europäischen Südsternwarte (ESO) mit animiertem Video des Wegs eines Photons durch das VLTI und GRAVITY (ganz unten auf der Seite).


(up)GREAT observation campaign New Zealand 2016

SOFIAs third Southern Sky observation campaign currently is underway, with operations based at Christchurch, New Zealand. The heterodyne receiver GREAT (German Receiver for Astronomy at THz frequencies), a very high resolution spectrometer for interstellar line emission, once again was selected to join the instrument suite together with FIFI-LS and FORCAST. For our modular platform GREAT this time we included the newly commissioned low frequency array (LFA), "up"GREAT, as one of the three exchangeable receiver modules. In comparison to its single-pixel precedessor the 14-pixel LFA receiver allows an approx. 10-fold increase in observation efficiency. The LFA observes in the 1900 GHz frequency band and is supplemented by the 1.4 THz and 4.7 THz single-pixel receivers flown previously. As developer of the superconducting mixers, observation software and resources for testing, operation and data analysis the I. Physikalisches Institut of the Universität zu Köln once again is contributing significant resources.

At the I. Physikalisches Institut the hardware and software development for upGREAT as well as its operation are funded through grant 50-OK-1103 of the German Aerospace Center DLR as well as the Collaborative Research Center SFB956.

SOFIA is a bilateral US-German project that is managed by the NASA and DLR. Members of the upGREAT consortium are the Max Planck Institute for Radioastronomy Bonn (PI), the Kölner Observatorium für Submm Astronomie (KOSMA) at the I. Physikalisches Institut, and the DLR Institute for Planetary Research Berlin.

Further information:
DLR News: Down under – SOFIA flying observatory with three instruments in New Zealand
NASA News: SOFIA Heads to New Zealand to Study Southern Skies
Latest updates: @SOFIAtelescope Twitter Account
SOFIA Science Center
Deutsches SOFIA Institut
Terahertz Detector Development at the I. Physikalisches Institut

(ppü 2016-06-13)


(up)GREAT Beobachtungskampagne Neuseeland 2016

Das Flugzeugobservatorium SOFIA ist derzeit in Christchurch Neuseeland stationiert, von wo aus es die 3. Beobachtungkampagne des Südhimmels durchführt. Mit dabei neben den Instrumenten FIFI-LS und FORCAST ist wieder der Heterodynempfänger GREAT (German Receiver for Astronomy at THz frequencies), mit dem höchstauflösende Spektroskopie interstellarer Spektrallinien im THz-Frequenzbereich durchgeführt wird. Diesmal kommt auch das low frequency array (LFA) des neuentwickelten Array-Empfänger "up"GREAT mit Empfangsband um 1900 GHz zum Einsatz. Das LFA mit seinen insgesamt 14 Pixeln ermöglicht eine ca. 10-fache Steigerung der Beobachtungseffizienz und wird komplimentiert von den Einzelpixel-Empfängermodulen für 1.4 THz und 4.7 THz. Das I. Physikalische Institut der Universität zu Köln ist maßgeblich als Entwickler der supraleitenden Mischer, der Beobachtungssoftware und der Planung, Durchführung und Auswertung der astronomischen Beobachtungen beteiligt.

Die Hard- und Software Entwicklung und der Betrieb des upGREAT Empfängers am I. Physikalischen Institut wird von der Deutschen Luft- und Raumfahrt, DLR, Förderkennziffer 50-OK-1103, finanziert, sowie durch Ressourcen des Sonderforschungsbereichs SFB956 unterstützt.

SOFIA ist ein bilaterales US-Amerikanisch-Deutsches Projekt, welches von der NASA und DLR geführt wird. Das upGREAT Konsortium besteht aus den Instituten Max-Planck-Institut für Radioastronomie Bonn (Projektleitung), dem Kölner Observatorium für Submm Astronomie (KOSMA) am I. Physikalischen Institut und dem DLR Institut für Planetenforschung Berlin.

Weiterführende Links:
DLR Nachrichten: Down Under: Fliegende Sternwarte SOFIA mit drei Instrumenten in Neuseeland
NASA News: SOFIA Heads to New Zealand to Study Southern Skies (in englischer Sprache)
Latest updates: @SOFIAtelescope Twitter Account (in englischer Sprache)
SOFIA Science Center (in englischer Sprache)
Deutsches SOFIA Institut
Terahertz Detector Development at the I. Physikalisches Institut (in englischer Sprache)

(ppü 2016-06-13)


Professor Dr. Stephan Schlemmer erhält Gay-Lussac-Humboldt-Preis 2015

Professor Dr. Stephan Schlemmer vom I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln ist einer der zwei Preisträger des Gay-Lussac-Humboldt-Preises des Jahres 2015. In seinem Arbeitsgebiet, der Molekülphysik, erforscht er, wie sich Moleküle in Reaktionen bilden oder umwandeln. Mit Lasern oder Mikrowellen sucht er nach den spektralen Fingerabdrücken der Moleküle. Auf diese Weise hat die Forschergruppe von Professor Schlemmer bereits neue Moleküle im Labor und im Weltall entdeckt. Ziel dieser Forschung, die er auch in enger Zusammenarbeit mit französischen Kollegen durchführt, ist das Verständnis der Entstehungsgeschichte dieser Moleküle im Weltall und auf der Erde. Professor Schlemmers Steckenpferd sind hochflexible Moleküle, deren Spektren bislang kaum untersucht und wenig verstanden sind. Nach 20 Jahren Vorarbeit sind ihm und seiner Arbeitsgruppe auf diesem Gebiet in den letzten Jahren bereits mehrere Durchbrüche gelungen.

Stephan Schlemmer wurde 1991 am Max-Planck Institut für Strömungsforschung in Göttingen promoviert und mit der Otto-Hahn-Medaille ausgezeichnet. Nach den Stationen Berkeley (USA), Chemnitz und Leiden (NL) ist er seit 2004 Professor für Experimentalphysik am I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln.

Der Gay-Lussac-Humboldt-Preis wird am 22. Januar, dem Jahrestag des Élysée-Vertrages zwischen Deutschland und Frankreich, an ausgezeichnete Forscher verliehen, die sich neben herausragender Forschung um die deutsch-französische Wissenschaftskooperation verdient gemacht haben. Der Preis ist mit 60.000 Euro dotiert und wird seit 1983 für deutsche Forscher vom französischen Bildungs- und Forschungsministerium und für französische Forscher von der Alexander von Humboldt-Stiftung vergeben.

Pressemitteilung der Universtät zu Köln

Pressemitteilung des französichen Ministère de l'Education nationale

Webseite der Arbeitsgruppe Prof. Schlemmer

(OAs, SBr, STh 2016-01-16)

First Light For Future Black Hole Probe — Successful commissioning of GRAVITY at the VLTI

Zooming in on black holes is the main mission for the newly installed instrument GRAVITY at ESO’s Very Large Telescope in Chile. During its first observations, GRAVITY successfully combined starlight using all four Auxiliary Telescopes. The large team of European astronomers and engineers, led by the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Garching, who designed and built GRAVITY, are thrilled with the performance. During these initial tests, the instrument has already achieved a number of notable firsts. This is the most powerful VLT Interferometer instrument yet installed.

The GRAVITY instrument combines the light from multiple telescopes to form a virtual telescope up to 200 metres across, using a technique called interferometry. This enables the astronomers to detect much finer detail in astronomical objects than is possible with a single telescope.

Since the summer of 2015, an international team of astronomers and engineers led by Frank Eisenhauer (MPE, Garching, Germany) has been installing the instrument in specially adapted tunnels under the Very Large Telescope at ESO’s Paranal Observatory in northern Chile. This is the first stage of commissioning GRAVITY within the Very Large Telescope Interferometer (VLTI). A crucial milestone has now been reached: for the first time, the instrument successfully combined starlight from the four VLT Auxiliary Telescopes.

“During its first light, and for the first time in the history of long baseline interferometry in optical astronomy, GRAVITY could make exposures of several minutes, more than a hundred times longer than previously possible,” commented Frank Eisenhauer. “GRAVITY will open optical interferometry to observations of much fainter objects, and push the sensitivity and accuracy of high angular resolution astronomy to new limits, far beyond what is currently possible.”

As part of the first observations the team looked closely at the bright, young stars known as the Trapezium Cluster, located in the heart of the Orion star-forming region. Already, from these first commissioning data, GRAVITY made a small discovery: one of the components of the cluster was found to be a double star (copyright of image ESO/GRAVITY consortium/NASA/ESA).

The key to this success was to stabilise the virtual telescope for long enough, using the light of a reference star, so that a deep exposure on a second, much fainter object becomes feasible. Furthermore, the astronomers also succeeded in stabilising the light from four telescopes simultaneously — a feat not achieved before.

GRAVITY can measure the positions of astronomical objects on the finest scales and can also perform interferometric imaging and spectroscopy. If there were buildings on the moon, GRAVITY would be able to spot them. Such extremely high resolution imaging has many applications, but the main focus in the future will be studying the environments around black holes.

In particular, GRAVITY will probe what happens in the extremely strong gravitational field close to the event horizon of the supermassive black hole at the centre of the Milky Way — which explains the choice of the name of the instrument. This is a region where behaviour is dominated by Einstein's theory of general relativity. In addition, it will uncover the details of mass accretion and jets — processes that occur both around newborn stars (young stellar objects) and in the regions around the supermassive black holes at the centres of other galaxies. It will also excel at probing the motions of binary stars, exoplanets and young stellar discs, and in imaging the surfaces of stars.

The hardware contribution of the Cologne institute was the development and construction of the two spectrometers of GRAVITY. The spectrometers analyse the wavelength of the observed starlight and convert the photons into electronic signals.

So far, GRAVITY has been tested with the four 1.8-metre Auxiliary Telescopes. The first observations using GRAVITY with the four 8-metre VLT Unit Telescopes are planned for later in 2016.

The GRAVITY consortium is led by the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, in Garching, Germany. The other partner institutes are (copyright of image MPE):

  • LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité, Meudon, France
  • Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany
  • 1. Physikalisches Institut, University of Cologne, Cologne, Germany
  • IPAG, Université Grenoble Alpes/CNRS, Grenoble, France
  • Centro Multidisciplinar de Astrofísica, CENTRA (SIM), Lisbon and Oporto, Portugal
  • ESO, Garching, Germany

Erstes Licht für Instrument zur zukünftigen Beobachtung Schwarzer Löcher — Erfolgreiche Inbetriebnahme von GRAVITY am VLTI

Am Very Large Telescope der ESO in Chile wurde ein neues Instrument in Betrieb genommen, dessen Hauptaufgabe es sein wird, Schwarze Löcher zu untersuchen. Entworfen und gebaut wurde GRAVITY von einem großen Team aus europäischen Astronomen und Ingenieuren, zu dem auch Wissenschaftler aus Heidelberg, Köln und Garching gehören. Geleitet wird das Projekt vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching. GRAVITYs Leistungsfähigkeit sorgt durchweg für große Begeisterung im Team. Während der ersten Beobachtungen gelang es GRAVITY bereits, das Sternlicht von allen vier VLT-Hilfsteleskopen zu bündeln. Während der ersten Tests konnte das Instrument bereits mehrere Premieren feiern. GRAVITY ist das leistungsstärkste Instrument für das VLT-Interferometer, das bisher montiert wurde.

Um ein virtuelles Teleskop mit bis zu 200 Metern Durchmesser zu bilden, kombiniert das GRAVITY-Instrument über Interferometrie das Licht von mehreren Teleskopen. Diese Technik ermöglicht es Astronomen, viel feinere Details in astronomischen Objekten zu erkennen als es mit einem einzigen Teleskop möglich wäre.

Seit dem Sommer 2015 hat ein internationales Team aus Astronomen und Ingenieuren unter der Leitung von Frank Eisenhauer (MPE, Garching) das Instrument in speziell angepassten Tunneln unter dem Very Large Telescope der ESO am Paranal-Observatorium im Norden Chiles montiert. Dies stellt die erste Phase der Inbetriebnahme von GRAVITY im Rahmen des Very Large Telescope Interferometer (VLTI) dar. Ein entscheidender Meilenstein wurde jetzt erreicht: Zum ersten Mal hat  das Instrument erfolgreich das Sternlicht von den vier VLT-Hilfsteleskopen vereint (copyright of image ESO/GRAVITY consortium/NASA/ESA).

„Bereits bei den ersten Beobachtungen, und zum allerersten Mal in der Geschichte der optischen Interferometrie, konnte GRAVITY Aufnahmen mit mehreren Minuten Belichtungszeit machen, also mehr als hundert Mal länger als es vorher möglich war“, erläutert Frank Eisenhauer. „GRAVITY wird zukünftig die Beobachtung von deutlich lichtschwächeren Objekten erlauben, und verschiebt die Grenzen der Empfindlichkeit und Genauigkeit der hochauflösenden Astronomie weit über das hinaus, was derzeit möglich ist."

Im Rahmen der ersten Beobachtungen nahm das Team die hellen, jungen Sterne unter die Lupe, die als Trapez bekannt sind und sich im Herzen der Sternentstehungsregion Orion befinden. Bereits in den ersten Daten der Inbetriebnahme machte GRAVITY eine kleine Entdeckung: Eine der Komponenten des Sternhaufens stellte sich als Doppelstern heraus.

Der Schlüssel zu diesem Erfolg bestand darin, mit dem Licht eines Vergleichssterns das virtuelle Teleskop lange genug zu stabilisieren, so dass eine tiefe Aufnahme eines zweiten, deutlich lichtschwächeren Objekts möglich wird. Desweiteren gelang es den Astronomen auch, das Licht der vier Teleskope zeitgleich zu stabilisieren – ein Kunststück, das so bisher noch nie gelungen ist.

GRAVITY kann sowohl die Positionen astronomischer Objekte auf das Genauste vermessen als auch interferometrische Bildgebung und Spektroskopie durchführen. Befänden sich Gebäude auf dem Mond, würde GRAVITY sie erkennen. Solch extrem hochauflösende Bildgebung besitzt viele Anwendungsmöglichkeiten, aber der Hauptfokus wird in der Zukunft in der Untersuchung der Umgebung Schwarzer Löcher liegen.

Insbesondere wird GRAVITY untersuchen, was in dem extrem starken Gravitationsfeld nahe des Ereignishorizonts des massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße passiert – was den Namen des Instruments erklärt. In dieser Region wird das physikalische Verhalten von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie beherrscht. Außerdem soll es Details des Massenzuwachses und Jets erkennen – Prozesse, die beide in der Nähe neugeborener Sterne (junger stellare Objekte) und in Regionen um massereiche Schwarze Löcher in den Zentren anderer Galaxien auftreten. Überragen wird es alles je dagewesene auch bei der Untersuchung der Bewegungen von Doppelsternen, Exoplaneten und jungen stellaren Scheiben, sowie bei Aufnahmen von Sternoberflächen.

Der Hardware-Beitrag des Kölner Instituts war die Entwicklung und der Bau der beiden Spektrometer von GRAVITY. Die Spektrometer analysieren die Wellenlänge des beobachteten Sternenlichts und wandeln die empfangenen Photonen in elektronische Signale um.

Bislang ist GRAVITY mit den vier 1,8-Meter-Hilfsteleskopen getestet worden. Die ersten Beobachtungen mit GRAVITY mit den vier 8-Meter-Hauptteleskopen des VLT sind im Verlauf des Jahres 2016 geplant.

Die GRAVITY-Arbeitsgemeinschaft steht unter der Führung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching. Die anderen Partner-Institute sind (Bild copyright MPE):

  • LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité, Meudon, Frankreich
  • Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg
  • I. Physikalisches Institut der Universität Köln
  • IPAG, Université Grenoble Alpes/CNRS, Frankreich
  • Centro Multidisciplinar de Astrofísica, CENTRA (SIM), Lissabon und Porto, Portugal
  • ESO Garching

Extragalaktische Entdeckung von Argonium mit ALMA

Argonium, ArH+, wurde mit dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) erstmalig in einer Galaxie außerhalb der Michstraße entdeckt. Es handelt sich dabei um die Vordergrundgalaxie mit Rotverschiebung 0,89 in Richtung des Quasars PKS 1830–211. Bei dieser Rotverschiebung blicken wir etwa 7,5 Milliarden Jahre zurück. Der Quasar dient als "Lichtquelle" für Absorptionsspektroskopie an der Vordergrundgalaxie, die das Licht des Quasars bündelt und mehrere Abbilder schafft. In den beiden hellsten Abbildern im Submillimeterbereich wurden beide interstellar wichtigen Isotopologe 36ArH+ und 38ArH+ entdeckt, und zwar in einem Verhältnis von 3,46 ± 0,16 in dem stärkeren und 4,53 ± 0,33 in dem schwächeren Abbild. Diese Verhältnisse unterscheiden sich vom Verhältnis 5,50 ± 0,01 in der Umgebung der Sonne und deuten darauf hin, dass sehr massereiche Supernovae im frühen Universum eine größere Rolle bei der Erzeugung von Elementen schwerer als Helium ("Metalle" bei den Astronomen) gespielt haben als heute, was man erwartet. Das Isotopolog 40ArH+ wurde nicht entdeckt, da 40Ar interstellar im Vergleich zu den beiden anderen Isotopen fast vernachlässigbar ist. Auf der Erde ist allerdings 40Ar das häufigste Argonisotop. Es entstand (und entsteht) durch den radioaktiven Zerfall von 40K.

Argonium wurde erst kürzlich als weit verbreitetes Molekül in der Milchstraße entdeckt. Es wurde als das Molekül bezeichnet, das Molekülwolken meidet, weil es nur im sehr diffusen interstellaren Medium vorkommt, für dieses ist es aber ein sehr guter Indikator.

H. S. P. Müller, S. Muller, P. Schilke, et al., Detection of Extragalactic Argonium, ArH+, toward PKS 1830–211, Astron. Astrophys. 582 (2015) Art.-Nr. L4.

Extragalactic Detection of Argonium with ALMA

Argonium, ArH+, was detected for the first time outside of Milkyway using the Atacama Large Millimeter Array (ALMA). The source is a foreground galaxy with redshift 0.89 toward the quasar PKS 1830–211. The look-back time at this redshift is about 7.5 billion years. The quasar illuminates the foreground galaxy for absorption spectroscopic studies. The foreground galaxy lenses the radiation of the quasar creating several images of the quasar. The two interstellar important isotopologs 36ArH+ and 38ArH+ were detected in the two most intense images in the submillimeter region. The isotopic ratio was 3.46 ± 0.16 in the stronger and 4.53 ± 0.33 in the weaker image. The ratios differ from 5.50 ± 0.01 in the Solar neighborhood, indicating that high-mass supernovae played a more pronounced role in generating elements heavier than helium (called "metals" by astronomers) in the early Universe compared to today, as may be expected. The isotopolog 40ArH+ was not detected, because 40Ar is almost negligible in comparison to the other two isotopes. On Earth, however, 40Ar is the most abundant argon isotope. It is a product of the radioactive decay of 40K.

Argonium was only recently detected as a ubiquitous molecule in our Galaxy. It was called the molecule which avoids molecular clous because it occurs only in the very diffuse interstellar medium, for which it is an excellent tracer.

H. S. P. Müller, S. Muller, P. Schilke, et al., Detection of Extragalactic Argonium, ArH+, toward PKS 1830–211, Astron. Astrophys. 582 (2015) Art. No. L4.

(hspm, 2015-10-07)