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Universitäts-Sternwarte München


Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität

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Geschichte der Sternwarte

ESO-Instrumente – FORS

Mit der allmählichen Realisierung der Pläne zum Bau des Very Large Telescope (VLT), der größten optischen Teleskopanlage der Welt, die aus vier zusammenschaltbaren 8.2-m-Teleskopen bestehen sollte, wurden bei ESO bzgl. der Instrumentierung dieser Teleskope im Bereich Projektmanagement und Abwicklung Neuland betreten. Wenn vorher nationale Institute im Auftrag der ESO ohne großen Verwaltungsaufwand spezielle Instrumente für das La-Silla-Observatorium gebaut hatten, war nun für die Abwicklung des VLT-Instrumentenprogramms ein völlig anderer Rahmen vorgesehen, in dem alles durch Verträge geregelt wurde: Anforderungen an das Instrument, technische Spezifikationen, straffe, eingehende und regelmäßige Fortschrittskontrollen sowie Strafmaßnahmen im Falle von Verzögerungen und Nichteinhalten der Vorgaben. Letztendlich war dieses Vorgehen für beide Seiten ein Gewinn, da die sich bildenden Konsortien einer solchen Herausforderung gerecht werden mussten, um als Lohn ihrer Bemühungen garantierte Beobachtungszeit mit »ihrem« Instrument am VLT zu erhalten.

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Nach jahrelangem Suchen und Testen im Norden Chiles hatte sich ESO 1988 schließlich für den Cerro Paranal als VLT-Standort entschieden. Dieser etwa 150 km südlich von Antofagasta in der Atacama-Wüste gelegenen 2660 Meter hohen Berg wurde daraufhin zusammen mit einem Areal von 725 km2 von der chilenischen Regierung ESO übereignet, die dann Anfang 1990 begann, den Berg nach ihre Bedürfnissen umzugestalten, d. h. ein Plateau für die geplante Teleskopanlage zu schaffen. Hierfür mussten 250 000 m3 Fels abgetragen werden, eine Maßnahme, die den Paranal in seiner Höhe um 28 Meter kürzte. Die Aufnahme stammt aus dem Jahre 1996, als die Bauarbeiten zur Errichtung der vier vorgesehenen VLT-Teleskope schon weit fortgeschritten waren. Im Vordergrund ist das Kontrollgebäude zu erkennen, dahinter drei schon fertiggestellte Kuppeln (mit zwei bereits montierten Teleskopen) und der im Bau befindlichen vierten Kuppel.

Bereits im Jahre 1991 hatte nach einer internationalen Ausschreibung die Sternwarte Bogenhausen zusammen mit der Landessternwarte Heidelberg und der Universitäts-Sternwarte Göttingen, die sich zu diesem Zweck zu einem Konsortium zusammengeschlossen hatten, von der ESO den Auftrag erhalten, für das geplante VLT zwei nahezu identische Kombi-Instrumente zu konzipieren und zu bauen. Diese sollten direkte Aufnahmen, Polarisationsmessungen und diverse Arten der simultanen Spektroskopie einer größeren Zahl von Objekten erlauben, also die Eigenschaften mehrerer astronomischer Geräte in sich vereinen. Damit war der Startschuss für FORS (Focal Reducer and low-dispersion Spectrograph) gefallen und ein hochmotiviertes Team von Astronomen und Ingenieuren machte sich daran, das erste wissenschaftliche Instrument für das VLT zu designen. Das Projekt sollte sich dann als eine der aufwendigsten Instrumentenentwicklungen erweisen, die seinerzeit jemals für die bodengebundene Astronomie unternommen worden war. Der innovativste Teil des dioptrisch ausgelegten Gerätes war die Einheit für Multi Object Spectroscopy (MOS) im obersten Abschnitt des Instruments, die mit Hilfe von 38 Spaltbacken die Bildung von 19 Spalten in beliebigen Teilen des Gesichtsfeldes erlaubte und damit die simultane Spektroskopie von 19 Objekten. Hierfür standen z. B. bei FORS1 insgesamt sieben Grisms unterschiedlicher Dispersion zur Verfügung. Zwei per Fernbedienung austauschbare unterschiedliche Kollimatoren im mittleren Teil des Instruments reduzierten den Abbildungsmaßstab im Cassegrainfokus des Teleskops und erlaubten eine den Pixeln des CCD-Detektors angepasste Bildgröße. Dabei gestatteten insgesamt sieben Breitband- und acht Interferenzfilter direct imaging in unterschiedlichen Spektralbereichen. Eine Spezialität von FORS1 waren auch besondere optische Komponenten, die die Möglichkeit polarimetrischer und spektropolarimetrischer Messungen boten. FORS2 besaß neben seiner normalen MOS-Einrichtung auch die Option, mittels spezieller Masken, die aus 0.21 Millimeter dickem Invarstahl gefertigt wurden und mit bis zu einhundert lasergeschnittenen Spalten beliebiger Dimension und Position versehen werden konnten, eine wirklich große Zahl von Objekten simultan zu spektroskopieren. Die Masken, von denen bis zu zehn in einem Magazin in der MOS-Einheit gespeichert und ferngesteuert positioniert wurden, mussten allerdings schon einige Zeit vor den Beobachtungen hergestellt werden. Für jedes der beiden FORS-Instrument waren schließlich mehr als 50 Antriebsmotoren erforderlich, um alle beweglichen Teile der komplizierten Geräte mit hoher Präzision zu steuern und und zu fixieren.

Der Sternwarte München oblag das Management des Gesamtprojekts sowie die Konzeption und Ausführung der gesamten Elektronik und der Instrumenten-, Bedienungs- und Beobachtungssoftware, während Heidelberg für die optische und Göttingen für die mechanische Seite der Instrumente verantwortlich zeichnete. Der geplante Zusammenbau der einzelnen Sektionen der Instrumente und deren Tests in Bogenhausen erforderten erhebliche bauliche Maßnahmen im Institut. In den Jahren 1993/94 wurde ein zusätzliches großes Labor in den Kellerräumen eingerichtet, eine befestigte Zufahrt für die Anlieferung und den Abtransport tonnenschwerer Lasten gebaut und ein entsprechend dimensioniertes Tor als Zugang zum Kellerbereich installiert. Der 1975 vor dem Kellereingang errichtete 40-cm-Coelostat fiel zusammen mit den zugehörigen Einrichtungen im Kellerflur diesen Baumaßnahmen zum Opfer. Zum Test des jeweils kompletten Instruments wurde wegen dessen gewaltigen Dimensionen (Höhe: ca. 3 m, Durchmesser: ca. 1.6 m (ohne die daran befestigten Elektronikschränke), Gewicht: ca. 2.5 Tonnen) bei der Deutschen Forschungsanstalt für Luft und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen bei München im Juli 1996 für drei Jahre eine große Automationshalle angemietet, in der das Konsortium mit Hilfe eines eigens von ihm entwickelten und gebauten Teleskop- und Sternsimulators die beiden vollintegrierten Instrumente unter realitätsnahen Bedingungen extensiv in allen Funktionen testete und optimierte sowie ihre opto-mechanischen Eigenschaften dokumentierte. Nach Ende der Erprobungen in Europa wurden, entsprechend einem detaillierten Zeitplan im Zusammenhang mit den allmählich funktionsfähig werdenden Teleskopen auf Paranal, beide Instrumente in ihre Einzelteile zerlegt und per Luftfracht nach Santiago de Chile transportiert (FORS1: Juli 1998, FORS2: August 1999). Ab dort erfolgte dann der Weitertransport auf der Panamericana in jeweils zwei temperaturstabilisierten Lastzügen zum 1200 km entfernten Paranal in Nordchile. Die Instrumente wurden anschließend in einer Integrationshalle im Basislager des Observatoriums wieder reintegriert, getestet und im integrierten Zustand zu den zwischenzeitlich installierten ersten beiden Teleskopeinheiten transportiert. Dort erfolgten dann die sich jeweils über Wochen hinziehenden intensiven Tests aller Optionen der Instrumente in der realen VLT-Umgebung, erstmals auch mit dem Licht »echter« kosmischer Objekte (First Light: 15. September 1998 (FORS1) und 29. Oktober 1999 (FORS2)). Schon die ersten Testaufnahmen, die um die Welt gingen, begeisterten wegen ihrer herausragenden Qualität nicht nur die Fachastronomen, sondern auch Amateure und interessierte Laien. Die hochkomplexen FORS-Geräte erfüllten alle in sie gesetzten Erwartungen vorzüglich und wurden schließlich plangemäß am 1. April 1999 (FORS1) und 1. April 2000 (FORS2) in Dienst gestellt und für die Benutzung durch die europäischen Astronomen freigegeben. Zur effizienten Ausbeute der zur Verfügung stehenden teuren Beobachtungszeit (ca. 100 000 DM pro Nacht) war auch hierfür eine Neuerung eingeführt worden, das Konzept der Observing Blocks (OBs). Damit wurde es dem Beobachter ermöglicht, mit Hilfe eines in Bogenhausen entwickelten Computerprogramms alle für seine Messungen erforderlichen instrumentellen Einstellungen an einem Rechner im Heimatinstitut virtuell zu simulieren und zu optimieren, die entsprechenden Anweisungen in einem OB festzuhalten und diesen später vor Ort von einem Operator in das VLT-Computersystem einspeisen zu lassen. Die Beobachtungsvorgänge als solche werden dann vollautomatisch vom Teleskop durchgeführt.

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Das FORS1-Instrument am Teleskop- und Sternsimulator in einer Automationshalle des DLR in Oberpfaffenhofen. Damit konnte das Gerät unter realitätsnahen Bedingungen zwei Jahre getestet und optimiert werden.

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Das etwa drei Kilometer vom Gipfelplateau entfernte, aus Containern bestehende Basislager des entstehenden Paranal-Observatoriums im April 1998. In der großen Integrationshalle links im Vordergrund wurden die FORS-Instrumente nach einer Reise von etwa 12 000 km wieder zusammengebaut.

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Die anschließenden extensive Testserien der Funktionalität der Instrumente nahmen jeweils mehrere Wochen in Anspruch.

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Am 9. September 1998 trat FORS1 integriert und wohlverpackt auf der seinerzeit noch nicht geteerten und daher zur Vermeidung von Staub bewässerten Piste den letzten Teil seiner Reise vom Basislager zur VLT-Einheit Nr. 1 an.

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FORS1 während der Montage im Cassegrain-Fokus von VLT-Teleskopeinheit Nr. 1 und als arbeitsfähiges Instrument. Wegen der hervorragenden meteorologischen Bedingungen auf Paranal war es leistungsfähiger und empfindlicher als das bekannte Hubble Space Telescope.

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Auch in extremen Positionen bleibt das tonnenschwere Instrument stabil und biegt sich aufgrund intelligenter statischer Maßnahmen praktisch nicht durch. Damit bestätigte es die Vorhersagen, die vorab mit der Finite-Elemente-Methode und dann in zahllosen Versuchen in der DLR-Integrationshalle getroffen worden waren: Die sog. image motion erwies sich in der Praxis kleiner als ein Viertel Pixelgröße.

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Diese elektronische Aufnahme der großen Spiralgalaxie NGC 1232 wurde während der Tests von FORS1 an VLT-Teleskopeinheit Nr. 1 am 21. September 1998 als erstes technisches Bild vom FORS-Team angefertigt. Die Galaxie befindet sich in einer Entfernung von 100 Millionen Lichtjahren und ist mit einem Durchmesser von 200 000-Lichtjahren etwa doppelt so groß wie unsere eigene Milchstraße. Das Zentralgebiet enthält ältere, rötlich leuchtende Sterne, während die Spiralarme von jungen, blauen Sternen und roten Sternentstehungsgebieten bevölkert sind. Die kleine Galaxie am linken Bildrand ist durch gravitative Wechselwirkung mit ihrer großen Begleiterin gestört. Das Bild wurde im Herbst 1999 von der weltweiten Leserschaft der astronomischen Zeitschrift Sky and Telescope unter die 10 most inspiring images of the century gewählt. Es wurde zu einer Ikone des VLT, in Büchern, Zeitschriften und auf CD-Hüllen reproduziert und bei zahllosen Ausstellungen gezeigt. So zierte es auch den Pavillon der Europäischen Union bei der EXPO 2000 in Hannover.

Als sich dann tatsächlich nach kurzer Zeit die beiden FORS-Instrumente wie prognostiziert zu den Arbeitspferden am VLT entwickelten, war klar geworden, dass sich die Mühen von ca. 180 Mannjahren Arbeitseinsatz und der finanzielle Aufwand von ca. 24 Millionen DM ausgezahlt hatten, auch für die Konsortiumsmitglieder, die neben der Stärkung ihres Renommees als erfolgreiche Instrumentenentwickler für ihren Einsatz 66 Nächte Beobachtungszeit mit »ihren« Instrumenten erhielten.

Wegen ihrer großen Bandbreite konnten die FORS-Instrumente von der Astronomical Community erfolgreich in den unterschiedlichsten Forschungsbereichen eingesetzt werden, etwa bei der Massenbestimmung von Galaxienhaufen mit Hilfe von Gravitationslinsen oder bei der Identifizierung von Gamma-ray bursts entfernter Galaxien mit dem Tod massereicher Sterne. Daneben wurden die FORS-Instrumente auch mit Erfolg bei der Messung extrasolarer Planeten mit der Transitmethode eingesetzt, deren Parameter damit genauer festgelegt werden konnten. Sie wurden sogar für spektroskopische Untersuchungen von transneptunischen Objekten in unserem Sonnensystem benutzt, die starke Hinweise auf die Existenz von Wasser auf deren Oberflächen ergaben.

Trotz dieser Erfolge wurde, wie üblich im astronomischen Instrumentenbau, FORS1 nach 10-jährigem Einsatz zum 1. April 2009 ausgemustert, um nach dieser langen Zeit Platz für Neuentwicklungen zu schaffen und dem technischen Fortschritt Tribut zu zollen. Wegen der Vielseitigkeit und hohen Verlässlichkeit des Instruments waren jedoch viele Nutzer mit dieser Demission nicht einverstanden. Wenigstens FORS2 wurde daraufhin – ein außergewöhnlicher Vorgang – bis heute am Leben gehalten und versorgt die europäischen Astronomen weiterhin mit Beobachtungsdaten exzellenter Qualität. Die wissenschaftliche Ausbeute der beiden FORS-Instrumente schlug sich bis Ende 2015 in insgesamt weit über 2000 Publikationen in referierten Fachzeitschriften nieder und die Überbuchung von FORS2, ein Maß für die Beliebtheit des Instruments, die im Laufe der bisherigen Betriebszeit im Mittel schon bei einem Faktor von 3.25 lag, steigerte sich in letzter Zeit gelegentlich sogar auf einen Faktor von über 5. Die FORS-Erfolgsgeschichte dauert an: FORS2 soll demnächst modernisiert werden (im Wesentlichen Austausch von Detektor- und Kontrollsystem), um seine vielfältigen Optionen noch für viele weitere Jahre am Paranal nutzen zu können. Ernsthaft diskutiert wird sogar auch die Möglichkeit, FORS1 zu reaktivieren.

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Die Erfolgsgeschichte des FORS-Projekts geht weiter: Auch fast 20 Jahre nach seiner Indienststellung ist FORS2 (nunmehr an VLT-Teleskopeinheit Nr. 1 und mit eingebauter Polarisationsoption von FORS1) noch immer ein gefragtes und ständig überbuchtes Instrument, mit dem Spitzenforschung betrieben wird. Es soll demnächst modernisiert werden, um dann noch weitere Jahre am VLT zur Verfügung zu stehen. Das Diagramm zeigt den wissenschaftlichen Output, der mit den FORS-Instrumenten bis 2016 erzielt wurde.

Bildquellen:

Nr. 3: USM
Nr. 1, 2, 5–14: ESO
Nr. 4: E. Slawik

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