Effelsberg 2004+

Neuer Sekundärspiegel mit aktiver Optik für das 100-m-Radioteleskop

10. September 2004

Das 100-m-Radioteleskop bei Bad Münstereifel-Effelsberg ist seit 1971 im astronomischen Meßbetrieb. Während zu Beginn der Messungen die geplante kürzeste Wellenlänge noch bei 2 cm lag, haben sich im Lauf der Jahre die Beobachtungen bei noch kürzeren Millimeter-Wellenlängen als immer wichtiger erwiesen. Durch die sehr gute Oberflächengenauigkeit des Hauptspiegels ist es möglich, auch Beobachtungen im Millimeter-Bereich mit dem 100-m-Teleskop durchzuführen.

Es bleiben aber Restabweichungen des Hauptspiegels von der Idealform eines Paraboloids bei unterschiedlichen Neigungswinkeln. Deren Ausgleich wird erst durch eine aktive Oberfläche ermöglicht. Zu diesem Zweck wird bis Mitte 2006 ein neuer Sekundärspiegel eingesetzt. Mit einer motorgesteuerten Korrektur der Oberfläche des Sekundärspiegels (aktive Optik mit ca. 100 Aktuatoren) wird es dann möglich sein, das Radioteleskop bei Millimeterwellenlängen optimal zu betreiben. Mit dieser Verbesserung steht in Deutschland auch in Zukunft eines der flexibelsten und leistungsfähigsten Radioteleskope weltweit.

Strahlengang des Radioteleskops Effelsberg

Empfangssysteme für unterschiedliche Wellenlängen werden am 100-m-Radioteleskop Effelsberg an zwei Stellen eingesetzt: im Primärfokus an der Spitze der vier Stützbeine, 30 Meter über dem Hauptspiegel, und im Sekundärfokus im Zentrum des Hauptspiegels selbst. Für Beobachtungen im Sekundärfokus werden die eintreffenden Radiowellen zuerst vom Hauptspiegel und dann nochmals vom Sekundärspiegel (Gregory-Subreflektor) umgelenkt.

Oberflächengenauigkeit des 100-m-Hauptspiegels des Radioteleskops Effelsberg bei 70 Grad Höhe über dem Horizont. Die Abweichungen liegen im Mittel unter 0,3 mm; es treten Extremwerte bis +- 1,5 mm auf.

Das Teleskop wurde nach dem Prinzip der homologen Verformung konstruiert. Dabei werden die Verformungen des Hauptreflektors infolge der Schwerkraft beim Kippen durch die tragende Stützstruktur ausgeglichen und die Oberfläche näherungsweise in ein neues Paraboloid überführt. Die unvermeidbaren verbleibenden Abweichungen von einem perfekten Paraboloid sind in Abb. 2 für eine Höhe von 70 Grad über dem Horizont dargestellt.

100-m-Radioteleskop des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie bei Bad Münstereifel-Effelsberg.

Hier setzt das Projekt "Effelsberg 2004+" ein. Eine weitere Korrektur des 100-m-Hauptspiegels könnte nur über eine aktive Oberfläche, d.h. die Korrektur aller 2352 Einzelplatten, den so genannten Paneelen, über Motorsteuerung (Aktuatoren) erfolgen. Das entspräche einem kompletten Neubau des 100-m-Radioteleskops. Es geht aber auch anders: für Beobachtungen im Sekundärfokus können die verbleibenden Abweichungen des Hauptspiegels von einem perfekten Paraboloid über eine aktive Oberfläche des 6,5-m-Sekundärspiegels ausgeglichen werden.

Die hohe Qualität der Oberfläche des Hauptspiegels im Bereich unterhalb von 1 cm Wellenlänge kommt bis jetzt nur für Beobachtungen vom Primärfokus aus zur Geltung, da der Sekundärspiegel für den Millimeter-Wellenbereich zu ungenau ist. Der geplante neue Subreflektor behebt diesen Nachteil und wird Beobachtungen in diesen Wellenlängen auch vom Sekundärfokus aus ermöglichen. Dies ergibt erhebliche Vorteile für den Einsatz von Multibeamempfängern im Millimeter-Bereich.

Man gewinnt dadurch in doppelter Hinsicht: zum einen wird der wichtige Wellenlängenbereich herunter bis 3 mm auch für Beobachtungen im Sekundärfokus erschlossen, zum anderen wird die effektive Genauigkeit des Hauptspiegels durch die aktive Oberfläche des Sekundärspiegels nochmals gesteigert.

Der Neubau des Sekundärspiegels unter Einschluß von ca. 100 Aktuatoren ist bewilligt und wird bis Mitte 2006 erfolgen. Das Projekt schließt auch eine Vorrichtung zum automatischen Wechsel zwischen Primär- und Sekundärfokus ein. Damit ist im Vergleich zum heutigen Status ein wesentlich schnellerer Wechsel zwischen unterschiedlichen Wellenlängen gegeben, so daß eine unmittelbare Reaktion auf die Änderung der Wetterbedingungen möglich wird.

Das ist wichtig, weil bei kurzen Wellenlängen der Einfluß der Atmosphäre immer deutlicher spürbar wird. Radiomessungen im Millimeter-Bereich sind stets "Schönwetterbeobachtungen", und durch die wechselnden Wetterbedingungen in unseren Breitenlagen auch am ehesten überbucht. Die Nachfrage nach Messungen gerade in diesem Wellenlängenbereich ist sehr hoch. Durch das bewilligte Projekt ist diese Nachfrage nach Beobachtungen bei kurzen Wellenlängen von Wissenschaftlern aus aller Welt wesentlich besser zu bedienen.

Wir befinden uns zur Zeit in der Planungsphase des Projekts. Der Fertigungsbeginn wird für Ende des Jahres erwartet. Die Fertigstellung wird voraussichtlich anderthalb Jahre in Anspruch nehmen. "Mit dieser Verbesserung besitzt Europa nach drei Jahrzehnten erfolgreicher Arbeit mit dem 100-m-Teleskop auch in Zukunft eines der flexibelsten und leistungsfähigsten Radioteleskope", so Professor Ernst Fürst, Stationsleiter des Radio-Observatoriums Effelsberg, der das Projekt maßgeblich mit erarbeitet hat.

Das 100-m-Radioteleskop des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie steht seit seiner Inbetriebnahme an der Vorderfront astronomischer Forschung. Der Bau des 100-m-Teleskops erfolgte in den Jahren 1968 bis 1971; er wurde ermöglicht mit Mitteln der Volkswagen-Stiftung. Nach der Einweihung am 12. Mai 1971 standen zunächst Messungen im Dezimeter- und Zentimeter-Wellenlängenbereich im Vordergrund, so z.B. eine Radiokarte des gesamten Himmels bei 73 cm Wellenlänge, die zusammen mit den Radioteleskopen in Jodrell Bank (England) und Parkes (Australien) in mehrjähriger Beobachtungsarbeit erstellt wurde.

Von Anfang an wurde das Radioteleskop Effelsberg sehr vielseitig eingesetzt: spektroskopische Untersuchungen der Sternentstehung in einer Vielzahl von Atom- und Moleküllinien, Beobachtungen von Pulsaren, den kompakten Überresten gewaltiger Supernova-Explosionen, die Bestimmung des Magnetfeldes unserer Milchstraße und anderer Galaxien, und schließlich Beobachtungen in einem weltweiten Verbund von Radioteleskopen (Very Long Baseline Interferometry oder VLBI), um eine möglichst hohe Winkelauflösung oder Trennschärfe zu erzielen.

Im Lauf der Jahre sind dann die Beobachtungen bei höheren Radiofrequenzen, im Bereich der Millimeter-Wellenlängen, immer wichtiger geworden. Das hat zwei Ursachen: zum einen wird mit kürzerer Wellenlänge auch die Winkelauflösung des 100-m-Teleskops immer besser (bei 2,8 cm Wellenlänge entspricht sie z.B. ziemlich genau der Auflösung des menschlichen Auges für sichtbares Licht), zum anderen sind vor allem im unteren Zentimeter- und Millimeter-Wellenbereich viele Atom- und Moleküllinien zu finden, die für die Untersuchung von Sternentstehungsgebieten von Bedeutung sind.

1972 lag die geplante kürzeste Wellenlänge bei 2 cm und bereits Mitte der siebziger Jahre wurden erfolgreiche Tests bei 7 mm Wellenlänge durchgeführt. Heute sind Beobachtungen bei 7 mm und 9 mm Wellenlänge bereits Routine. Zu Beginn der neunziger Jahre wurden die ersten Beobachtungen bei 3 mm Wellenlänge durchgeführt. Mit dem neuen Sekundärspiegel sind auch bei den kürzesten Wellenlängen an der Grenze des Empfangsbereichs optimale Meßbedingungen mit dem 100-m-Radiotelekop gewährleistet.

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