Astronomische Übungsreihe der ESA/ESO · ESA/ESO Mitgliedsstaaten (siehe WWW Links unter http:/)....

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Astronomie ist eine leicht zugängliche und an-schauliche Wissenschaft, welche ideal für dieVerwendung im Schulunterricht ist. In den letz-ten Jahren haben das NASA/ESA Hubble Welt-raumteleskop und die ESO Teleskope auf den Be-obachtungsstationen La Silla und Paranal in Chi-le immer spektakulärere und tiefere Einblicke indas Universum geliefert. Hubble und die ESO Te-leskope haben nicht nur faszinierende neue Bil-der geliefert, sie sind gleichzeitig auch als Werk-zeuge für Astronomen von unschätzbarem Wert.Die Teleskope haben hervorragende räumlicheAuflösung/Winkelauflösung (Bildschärfe) und er-lauben den Astronomen tiefer als je zuvor insUniversum zu blicken und dabei seit langem an-stehende Fragen zu beantworten.

Obwohl die Analyse von solchen Beobachtungenim Detail oft wissenschaftlich sehr anspruchsvollist, können sie manchmal einfach genug sein,dass auch Oberstufenschüler die Möglichkeit ha-ben, die Auswertung selbständig nachzuvollzie-hen.

Diese Übungsreihe wurde gemeinsam von derESA (European Space Agency), dem europäischenPartner des Hubble Projekts, welche 15% der Be-obachtungszeit am Hubble besitzen, und der ESO(European Southern Observatory, EuropäischeSüdsternwarte) erstellt.

Das Ziel dieser Übungsreihe ist es, verschiedenekleinere Aufgaben zu liefern, welche die Faszina-tion und Freude an wissenschaftlichen Entdek-kungen an die Schüler weitergeben. Unter Ver-wendung von elementaren geometrischen undphysikalischen Modellen sind die Schüler in derLage, vergleichbare Antworten zu wesentlichaufwendigeren Analysen, die in der wissen-schaftlichen Literatur beschrieben sind, zu erhal-ten.

Neben der Motivation und den Ideen hinterHubble und den ESO Einrichtungen, wird in die-

ser Broschüre eine kurze Beschreibung der Teles-kope, der Instrumente, und deren Funktionswei-se detailiert wiedergegeben, um die Beobachtun-gen in den nachfolgenden Übungen ausreichendverstehen zu können.

Die Originalsprache der Astronomischen Übungs-reihe der ESA/ESO ist Englisch. Es gibt einigeGründe für diese Wahl — Englisch ist die meist-benützte Sprache in der Wissenschaft. GuteKenntnis und praktische Erfahrung in dieserSprache sind wertvolle Qualifikationen für alleSchüler, speziell bei so wissenschaftlichen Tex-ten wie diesen.

In der modernen Ausbildung hat man die Wich-tigkeit erkannt, dass man die Grenzen der Fach-gebiete in Form von fächerübergreifenden Arbei-ten überschreitet, welche verschiedene Wissens-bereiche sowohl entwickelt als auch stärkt. Wirempfehlen daher, auch den englischen Text die-ser Übungsaufgaben zu verwenden, um gleich-zeitig eine praktische Anwendung der englischenSprache zu haben. Es gibt inzwischen auch Ver-sionen in verschiedenen anderen Sprache derESA/ESO Mitgliedsstaaten (siehe WWW Linksunter http:/www.astroex.org).

Der Aufbau aller Übungen ist folgender: auf Hin-tergrundinformationen folgen eine Reihe vonFragen, Messungen und Berechnungen. DieÜbung kann sowohl als Material für herkömmli-che Unterrichtsmethoden dienen als auch ankleine Schülergruppen im Rahmen von Projektar-beiten ausgeteilt werden, weil die Übungsaufga-ben weitgehend selbsterklärend sind.

Da die Übungen voneinander unabhängig sind,ist es möglich eine Auswahl zu treffen, um diezu Verfügung stehende Zeit gut zu nützen. Fallsder Inhalt den Schülern noch nicht vertraut ist,empfehlen wir, dass die entsprechenden Teile derWerkzeuge durchgearbeitet werden, bevor dieSchüler mit der eigentlichen Übung beginnen.

Astronomische Übungsreihe der ESA/ESO

1National Aeronautics and Space Administration2European Space Agency3European Southern Observatory

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Das Hubble Weltraumteleskop

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Abbildung 1: Absorption von Strahlung durch die ErdatmosphäreAstronomische Objekte emittieren Licht in einem weiten Wellenlängenbereich, aber nur bestimmte Wellenlängen davon können dieErdatmosphäre durchdringen. Der Rest wird in der Atmosphäre absorbiert und gestreut. Das Diagramm zeigt die Transparenz derAtmosphäre als Funktion der Wellenlänge. Wie man sieht wir das ultravioletten Licht fast völlig absorbiert bzw. gestreut und auchein großer Teil der infraroten Strahlung kommt nicht durch.

Am 26. April 1990, 67 Jahre nachdem der deut-sche Raketenpionier H. Oberth die möglichenVorteile astronomischer Beobachtungen im Welt-raum aufgezeigt hat, wurde das Hubble Welt-raumteleskop aus dem Frachtraum der RaumfähreDiscovery ausgesetzt. Die ersten ernstzunehmen-den Projekte für ein großes astronomischesWeltraumteleskop erhielt die NASA in den frühen60er Jahren. Nach einer Reihe von Machbarkeits-studien wurde das Gemeinschaftsprojekt derNASA/ESA schlussendlich im Jahre 1977 geneh-migt. In bezug auf Auflösung hat Hubble bis vorkurzem alle erdgebundenen Teleskope bei wei-tem übertroffen. Und das, obwohl der Haupt-spiegel nur einen Durchmesser von 2,4 m hat,handelt es sich bei Hubble doch um kein großesTeleskop.

Die Qualität der Bilder von erdgebundenen Teles-kopen sind durch Störungen aufgrund des Licht-weges durch turbulente Schichten der Erdatmos-phäre beeinträchtigt. Unabhängig von der Größedes Teleskops, führt dieses unvermeidliche Ver-waschen zu einer signifikanten Verschlechterungder Winkelauflösung von bestenfalls einer halbenBogensekunde. Im Gegensatz dazu ist im Welt-raum die Leistungsfähigkeit eines Teleskops nurdurch die Güte der Optik und die Genauigkeit,mit der ein Objekt während der Aufnahme anvi-siert werden kann, definiert — da sich das Lichtim Weltall ohne Störungen ausbreitet (Sternefunkeln nicht). Dadurch enthalten die Bilder vonHubble fünfmal mehr Details verglichen mit ähn-lichen Aufnahmen von der Erde aus. Mit einemerdgebundenen Teleskops können die Schlagzei-len einer Zeitung aus einer Entfernung von ei-nem Kilometer gelesen werden, jedoch mit

Hubble ist es möglich, sogar das Kleingedrucktezu entziffern!

Hauptsächlich die fünfmal bessere Bildqualitätmachen Hubble so speziell. Mit Hubble könnennicht nur bereits bekannt astronomische Objektemit wesentlich höherer Genauigkeit studiert wer-den, es ist auch möglich, bis jetzt unbekannteObjekte zu entdecken, die mehrere Male schwä-cher sind als alles, was von der Erde aus beob-achtbar ist.

Mit weltraumgestützten Teleskopen ist esdarüber hinaus noch möglich, das Licht, das vonastronomischen Objekten stammt, in einem weitgrößeren Bereich des elektromagnetischen Spek-trums zu erforschen, als es mit erdgebundenenTeleskopen möglich ist. Diese sind in ihrem Wel-lenlängebereich durch Absorption in der Erdat-mosphäre eingeschränkt (siehe Abbildung 1).

Das bedeutet, dass Hubble Himmelsobjekte nichtnur im sichtbaren Bereich, sondern auch im ul-travioletten und infraroten beobachten kann.Der ultraviolette Bereich des Spektrums ist fürdie Astronomen von besonderer Bedeutung, dadie meisten sogenannten ‚atomaren Übergänge’der wichtigen Elemente in diesem Bereich liegen.Ein charakteristisches Merkmal von allen chemi-schen Elementen ist die Eigenschaft, Licht einerganz speziellen Wellenlänge zu absorbieren undemittieren. Durch die Identifizierung dieser Wel-lenlängen im Spektrum eines Himmelsobjektskann die chemisches Zusammensetzung, dieTemperatur und physikalische Parameter von sel-bigen bestimmt werden.

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Das ESO Very Large Telescope (VLT) ist das größ-te optisch – infrarot Teleskop der Erde. Bereitsim Jahre 1970 gab es erste Bemühungen zur Re-alisierung eines großen europäischen Teleskops.Die grundlegende Planung des VLT wurde in denfrühen 80er Jahren ausführlich unter den euro-päischen Astronomen diskutiert. Der ESO-Ratgab im Dezember 1987 grünes Licht zum VLT-Projekt. Dieser Entscheid basierte auf einem de-taillierten Konzept und einem zugehörigen Fi-nanzierungsplan zum Bau und zur nachfolgendenVerwendung.

ESO, eine internationale Forschungsorganisation,wurde 1962 von Belgien, Deutschland, Frank-reich, Holland und Schweden „mit dem Ziel eingemeinsames Observatorium auf der Südhalbkugel

zu schaffen, welches mit leistungsfähigen Instru-menten ausgerüstet ist, und damit Zusammenar-beit in astronomischer Wissenschaft zu fördernund organisieren” gegründet. In der Zwischen-zeit sind Dänemark, Italien, Portugal und dieSchweiz dazu gestoßen. Das Vereinigte König-reich wird im Jahre 2002 beitreten. Vor Kurzemhaben auch weitere Ländern ihr Interesse an ei-nem ESO Beitritt ausgedrückt.

ESO betreibt zwei hochmoderne Observatorien,Paranal und La Silla. Cerro Paranal, ein 2635 mhoher Berg (24°37’ S, 70°24’W), liegt im Nordenvon Chile, 12 km von der Pazifikküste entfernt,130 km südlich von Antofagasta, 1200 km nörd-lich von Santiago de Chile und 600 km nördlichvon La Silla. Dieser Ort befindet sich in einemder trockensten Gebiete der Erde, der Ataca-mawüste. Da schlechtes Wetter der größte Feindder Astronomen ist, hat ESO ausführlich klimati-sche Untersuchungen durchgeführt, bevor CerroParanal als Ort für das VLT gewählt wurde. Andiesem Ort gibt es bis zu 350 klare Nächte proJahr.

Das VLT besteht aus vier 8,2-m Einzelteleskopen(Unit Telescopes – UT); diese Zahl gibt denDurchmesser der vier Hauptspiegel an. Die Se-kundär — und Tertiärspiegel sind wesentlichkleiner. Wenn Licht durch die Erdatmosphärescheint, werden Aufnahmen von Sternen ver-zerrt: dies ist der Grund, warum Sterne funkeln.Das adaptive Optiksystem wurde entwickelt, umdiesen unerwünschten Effekt zu korrigieren, sodass die Bilder, die von den Teleskopen aufge-nommen werden, so scharf werden, als wenn dasVLT sich im Weltraum befinden würde.

Das VLT ist mit vielen verschiedenen hochtech-nischen astronomischen Instrumenten bestückt.Alle vier 8,2-m Teleskope sind seit Ende 2000 inBetrieb. Mit ihnen wurden schon viele aufregen-de wissenschaftliche Resultate erzielt.

Drei 1,8-m Hilfsteleskope (Auxiliary Telescopes –AT) werden noch gebaut. Es ist möglich, jedesUT alleine zu benützen oder wenn die AT’s fer-tiggestellt worden sind, alle Teleskope zum VeryLarge Telescope Interferometer (VLTI) zusam-

Abbildung 2: Karte von ChileDie geographische Lage der beiden ESO Observatorienin Chile, La Silla und Paranal, sind angegeben.

Das ESO Very Large Telescope

ESO

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VLT

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menzuschalten. Das VLTI hat dieselbe optischeSchärfe wie ein Teleskop mit einem Durchmesservon 200 m. In einer Vorstufe zum VLTI wurdenbereits im Jahre 2001 erste Aufnahmen ge-macht, indem zwei UT’s zusammengeschaltenwurden.

ANTU und FORS

Die Bauarbeiten auf Cerro Paranal begannen imJahre 1991 und sechs Jahre später, 1997, wurdeder erste Spiegel geliefert. Nach dem Einbauwurde, wie nach Plan, in der Nacht 25./26. Mai1998 das erste Licht mit ANTU (UT1) eingefan-gen. ANTU bedeutet ‚Sonne’ in der MapucheSprache. Die anderen drei Großteleskope hatten‚erstes Licht’ im März 1999, Januar 2000 undSeptember 2000.

Die VLT UT’s haben sogenannte altazimuthaleMontierung. In dieser Montierung bewegt sichdas Teleskop um eine horizontale Achse, die Nei-gungsachse. Die beiden Lager, welche das Teles-kop halten, sind in einer Gabel montiert, welcheum eine vertikale Achse, die Azimuthachse, ro-tiert und damit dem Teleskop ermöglicht jeden

Punkt am Himmel anzuvisieren. Am 15. Septem-ber 1998 sah FORS1 (Focal Reducer and Spectro-graph), der an ANTU angeschlossen wurde, ers-tes Licht und lieferte sofort einige spektakuläreastronomische Bilder. FORS1 und die anderen VLTInstrumente öffneten der europäischen Astrono-mie eine Vielzahl von neuen Möglichkeiten. Diebeiden Spektrographen FORS1 und dessen Zwil-ling FORS2 sind das Produkt einer der höchst-technologischen und aufwendigsten Untersu-chungen, die je mit erdgebundenen Teleskopengemacht wurden. Die FORS Instrumente sind‚multi-mode Instrumente’, die in verschiedenenBeobachtungsmodi betrieben werden können.Zum Beispiel ist es möglich, Bilder mit zwei ver-schiedenen Maßstäben (Vergrößerungen) aufzu-nehmen; des weiteren können Spektren bei ver-schiedener Auflösung von einzelnen oder mehre-ren Objekten erzielt werden. Damit ist es FORSmöglich, zuerst ein Bild von einer entferntenGalaxie und sofort anschließend ein Spektrum zuliefern, so dass der Typ und die Entfernung derSterne in der Galaxie bestimmt werden können.

Weitere Informationen zum ESO VLT gibt esunter: http://www.eso.org.

Abbildung 3: Eine schematische Ansicht des VLT Interferometer

Das ESO Very Large Telescope

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