Das Giant Magellan Telescope (GMT)

Ein Teleskop der Superlative mit sieben großen Hauptspiegeln zu je 8,4 Meter

Eine künstlerische Darstellung des GMTs. Bildquelle: https://www.gmto.org/Resources/Still-GMT-S21-hi-res.jpg; Giant Magellan Telescope – GMTO Corporation.

Das Giant Magellan Telescope (GMT) soll einer der aktuell größten Teleskope überhaupt sein. Sein Standort wird in der chilenischen Atacama-Wüste sein, genauer gesagt am Las-Campanas-Observatorium. Seine sieben Primärspiegeln haben je einen Durchmesser von 8,4 Metern und das ergibt einen Gesamtspiegeldurchmesser von 24,5 Metern. Die daraus resultierende Spiegelfläche beträgt 368 m². Seine aktuelle geplante Inbetriebnahme soll im Jahr 2029 stattfinden, im Dezember 2019 vor der SARS-Cov-2-Pandemie war das Jahr 2027 noch geplant. Durch seine großen Spiegel dürfte das Teleskop zehnmal schärfer als das im April 1990 gestartete Hubble-Weltraumteleskop (HST) sehen können, sowie rund 2700mal schärfer als das Auge.

Nicht nur die Größe der Spiegel machen das GMT zu etwas Besonderem, sondern auch die Spiegel an sich. Diese sind aus einer besonderen Technik hergestellt und werden in diesen Wochen auch weiter hergestellt. Die Technik hinter den Spiegeln wird nun erklärt.

Die Technologie hinter den Spiegeln

Die Größe der Spiegel im Vergleich zu einem Menschen. Bildquelle: https://www.gmto.org/wp-content/uploads/resources-primary_mirror.jpg; Giant Magellan Telescope – GMTO Corporation.

2005 wurde das Glas für die ganzen Spiegel in einem japanischen Glaswerk hergestellt. In einem Tongefäß hat betrug die Temperatur der Boroxid und Silizium enthaltenden Mischung für zwei Tage lang 1 500 °C, weitere 13 Tage hat das Spezialglas in dem Glaswerk der Ohara Corporation geruht. Diese Firma stellt Spezialglas für „optische“ Anwendungen her. Dann wurde mit weiteren Hammerschlägen einer der reinsten Gläser der Welt enthüllt. Das Glas wurde in vier bis fünf Kilogramm Stückchen zerschlagen und in Karton verpackt. Die insgesamt 160 Tonnen Glas reisten in das Richard F. Carris Mirror Lab der University of Arizona, welches sich unter dem Football-Stadion desselbigen befindet. Es ist eine Spezialanlage zur Herstellung von astronomischen Spiegeln. Die Anlage beherbergt einen Schmelzofen, der sich fünfmal pro Minute rotiert, sodass das Borosilikatglas schon beim Schmelzen eine nach außen gedrückte, konkave Form. Nachdem der Schmelzvorgang bei 1 165 °C und die Abkühlung drei Monate dauert, dauert die Phase des Schleifens und des Polierens des Glases vier Jahre bis die endgültige Genauigkeit des Schliffs 25 Millionstel eines Millimeters beträgt (2,5 × 10-8 m; 25 Nanometer).

Die einzelnen Glasfragmente, die zu dem Spiegelglas werden sollen. Bildquelle: https://www.gmto.org/wp-content/uploads/GMT-S5MC-171023-15.jpg; Giant Magellan Telescope – GMTO Corporation.

Die sieben Spiegel kosten ungefähr allein 140 Millionen Dollar zusammen, das machen etwa 125 Millionen Euro. So kostet ein Spezialcontainer allein 400 000 $, da jeder einzelne Spiegel in einen Spezialcontainer kommt, auf dem Flughafengelände von Tucson zwischengelagert wird und dann nach Chile transportiert wird. Sie reisen allerdings per Schiff nach Chile (wahrscheinlich in den Hafen von Antofagasta, weil es von dort aus nur noch ca. 130 km weit zum Las-Campanas-Observatorium sind). Der LKW transportiert die Riesengläser zum späteren Ort des Teleskops mit einer Geschwindigkeit von 3 km/h. Zum Schluss werden die Spiegel in Chile mit wenigen Gramm Aluminium besprüht, sodass die Gläser zu wirklichen Spiegeln werden.

Aktuell sind 5 der 7 Spiegel fertig.

Außerdem von der Technik

Da das GMT in einem erdbebengefährdeten Gebiet steht, gibt es für das gesamte Gebäude Stoßdämpfer „Friction Pendulum Isolators“. Für die volle Beweglichkeit steht es ebenso auf 76 Stahlräder, die das Teleskop super bewegen lassen, sodass die Astronomen weiterhin schicke Bilder machen können.

Das Licht des Universums kommt zu den Primärspiegeln des GMTs, wird von dort aus zu den 7 Sekundärspiegeln gebracht und von dort aus fällt das Licht in die Aussparung des zentralen Hauptspiegels des GMTs. Dort fällt das Licht auf die äußerst lichtempfindlichen CCD-Sensoren der Teleskopkamera

Der Sekundärspiegel des GMTs ist so gebaut, dass er das Flimmern, wenn in der Atmosphäre verschieden warme Schichten interagieren, korrigiert, indem er mit dem Atmosphärenflimmern mitschwingt. Diese Technik nennt man adaptive Optik. Die adaptiven Sekundärspiegel (ASMs) bestehen aus einer dünnen Glasscheibe, die mit mehr als 7000 unabhängig gesteuerten Schwingspulenaktuatoren verbunden ist. Diese Aktuatoren können mehr als 1000 Mal pro Sekunde auf die Spiegel drücken und ziehen, um das flimmernde Bild zu korrigieren, die durch Turbulenzen in der Erdatmosphäre verursacht werden.

Wer sind die Betreiber des Teleskops?

Das Giant Magellan Telescope wird von einer deswegen gegründeten Organisation entwickelt, gebaut/bauen lassen. Es ist eine von der chilenischen Regierung anerkannte „internationale Sonderorganisation“. Im Rahmen des Baus und Planung des GMTs wurden weitere Flächen ausgewiesen, in denen Lichtverschmutzung äußerst begrenzt wird. Der Luftverkehr wurde stark beschränkt. Das sind alles Maßnahmen, um die Sichtqualität zu verbessern.

Die Baustelle vom Giant Magellan Telescope. Bild vom 26. Februar 2020. Bildquelle: https://www.gmto.org/wp-content/uploads/20200226-DJI_0599.jpg; Giant Magellan Telescope – GMTO Corporation.

Die Mitglieder der „Giant Magellan Telescope Organization“ sind:

  • Observatorien der Carnegie Institution of Washington (OCIW)
  • Harvard University
  • Smithsonian Astrophysical Observatory
  • Texas A&M University
  • University of Arizona
  • University of Chicago
  • University of Texas at Austin
  • Australian National University
  • Astronomy Australia Limited
  • Korea Astronomy and Space Science Institute
  • Universität von São Paulo

Wissenschaftliche Experimente

Das GMT hat auch noch wissenschaftliche Instrumente an Bord, um mit dem ankommenden Licht noch mehr Daten zu bekommen.

Ein Konstruktionsschema des GMTNIRS. Bildquelle: https://www.gmto.org/wp-content/uploads/GMTNIRS.jpg; Giant Magellan Telescope – GMTO Corporation.
  • G-CLEF (GMT-Consortium Large Earth Finder): Ein hochauflösender, hochstabiler, fasergespeister Echelle-Spektrograph im sichtbarem Licht, der sich gut für präzise Radialgeschwindigkeitsbeobachtungen, Untersuchungen in der Sternastrophysik und Untersuchungen des intergalaktischen Mediums eignet. G-CLEF wird von 350 nm bis 950 nm mit spektralen Auflösungen von 25.000 bis 120.000 betrieben.
  • GMACS (GMT Multi-object Astronomical and Cosmological Spectrograph): Ein hoher Durchsatz, allzweck-Multiobjekt-Spektrograph optimiert für Beobachtungen von sehr schwachen Objekten. Er arbeitet in einem Sichtfeld von 7,4 Bogenminuten und deckt die Wellenlängen von 320 nm (leichtes ultraviolett) bis 1000 nm (Nahes Infrarot). GMACS wird unter anderem für Studien zur Entwicklung des intergalaktischen Mediums, der Galaxie und der umlaufenden Materie und Studien von gelösten Sternenpopulationen verwendet.
  • GMTIFS (GMT Integral-Field Spectrograph): Das Instrument baut auf dem Erbe des NIFS-Instruments bei den älteren Gemini-Teleskopen auf. Es verwendet ein Bildschnitt-Mikrospiegelsystem, um die Brennebene auf dem Detektor neu zu formatieren. Spaxel-Skalen von 8 bis 50 m werden bereitgestellt und alle speisen einen R = 5000-Spektrographen, der jedes der J-, H- oder K-Bänder in einer einzigen Einstellung abdecken kann. Das Instrument verfügt außerdem über einen Bildgebungskanal, der das Feld der Lasertomographie AO (LTAO) abdeckt und gleichzeitig die PSF im J-Band kritisch abtastet. Kurz: Es ist ein Integral-Feld-Spektrograf im Infraroten.
  • GMTNIRS (GMT Near-IR Spectrograph): Dieses wissenschaftlische Instrument ist ein Echelle-Spektrograf, welcher im Infrarot arbeitet, welcher für Untersuchungen junger Sternobjekte, Trümmerscheiben und protoplanetarer Systeme optimiert ist. Es werden Silizium-Immersionsgitter verwendet, um eine hohe spektrale Auflösung in einem kompakten Format zu erzielen. Unter Verwendung von Schlitzen, die gut auf die beugungsbegrenzte Bildgröße eines einzelnen Segments abgestimmt sind, liefert GMTNIRS in einer einzigen Beobachtung R = 50 – 100k Spektren über 5 (JHKLM) atmosphärische Fenster. Dies stellt einen enormen Gewinn bei der Beobachtung der Effizienz im Vergleich zu aktuellen Spektrographen dar, bei denen nur ein Bruchteil einer Bande in einer einzigen Einstellung abgetastet wird. Seine Wellenlängen-Reichweite beträgt 1,1 µm bis 5,4 µm.
  • MANIFEST (Many Instrument Fiber System): Es ist ein Facility Fibre System. Die GMT hat ein ungewöhnlich großes Sichtfeld für eine ELT. Während einige der vorgeschlagenen Instrumente einen erheblichen Teil des Feldes nutzen, nutzt keines den 20-Bogenminuten-Durchmesser voll aus (314 Quadratbogenminuten). MANIFEST bietet die Möglichkeit, mehrere Ziele über das gesamte Sichtfeld mit einem oder mehreren der Spektrographen, einschließlich GMACS und G-CLEF, zu beobachten. Die genauen Mehrfachverstärkungen variieren für jeden Spektrographen in Abhängigkeit von der verfügbaren Spaltlänge und der Art der verwendeten Fasereingänge, sie funktionieren bei Wellenlängen von 360 nm bis 1 600 nm. Das MANIFEST-Konzept verwendet „Starbugs“ – selbstbewegliche Faserköpfe, die auf einer Glasplatte eingesetzt werden. MANIFEST bietet ein Mittel, mit dem GMT für Vermessungswissenschaften mit hohem AΩ optimiert werden kann, ohne die gesamte Fokusebene neu abzubilden.
  • ComCam (Commissioning Camera): ComCam wird verwendet, um die Leistung der Ground Layer Adaptive Optics (GLAO) des Adaptive Optics System der GMT-Einrichtung zu validieren. Es wird auch für die anfängliche Ausrichtung des Teleskops und zur Überprüfung der natürlichen optischen Sehleistung im DGNF-Modus (Direct Gregorian Narrow Field) gebraucht.
Es gibt viele andere große Teleskope und eine Übersicht findet ihr hier oben. Bildquelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Comparison_optical_telescope_primary_mirrors.svg; https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Cmglee

Es gibt allerdings noch so viele andere Teleskope und teilweise auch welche, die größere Spiegelflächen haben, als das GMT, ein anderes, aber viel kleineres Teleskop, welches vor Wochen schon abgeschalten wurde und dazu noch im Weltraum herumschwirrt ist das Spitzer-Weltraumteleskop und dazu habe ich auch schon ein Beitrag gemacht.

Quellen:

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