De Unit Telescope 4 (‘Yepun’) van ESO’s Very Large Telescope (VLT) is getransformeerd tot een volledig adaptieve telescoop. Na meer dan tien jaar van planning, constructie en tests heeft de nieuwe Adaptive Optics Facility (AOF) zijn eerste licht gezien met het instrument MUSE. Daarbij zijn verbluffend scherpe beelden vastgelegd van planetaire nevels en sterrenstelsels. De combinatie van AOF en MUSE vormt een van de meest geavanceerde en krachtige technologische systemen die ooit voor astronomisch onderzoek vanaf het aardoppervlak zijn gebouwd.
De Adaptive Optics Facility (AOF) is een langetermijnproject dat de instrumenten van Unit Telescope 4 (UT4) van ESO’s Very Large Telescope (VLT) moet voorzien van een adaptief optisch systeem. Als eerste is MUSE (de Multi Unit Spectroscopic Explorer) aan de beurt gekomen [1]. Adaptieve optiek onderdrukt de beeld-vertroebelende werking van de aardatmosfeer. Hierdoor is MUSE nu in staat om opnamen te maken die niet alleen veel scherper zijn dan voorheen, maar ook twee keer zoveel contrast hebben. MUSE kan nu nog zwakkere hemelobjecten onderzoeken. ‘Dankzij de AOF kunnen astronomen zelfs onder niet-optimale weersomstandigheden nog een uitmuntende beeldkwaliteit verkrijgen,’ legt Harald Kuntschner, AOF-projectwetenschapper bij ESO, uit.
Na een hele hoop tests met het nieuwe systeem, werd het team van astronomen en technici beloond met een reeks spectaculaire opnemen. De astronomen hebben waarnemingen gedaan van de planetaire nevels IC 4406 in het sterrenbeeld Lupus (Wolf) en NGC 6369 in het sterrenbeeld Ophiuchus (Slangendrager). De MUSE-waarnemingen met behulp van de Adaptive Optics Facility lieten indrukwekkende verbeteringen in de beeldscherpte zien, waarbij in IC 4406 niet eerder opgemerkte schilstructuren zijn ontdekt [2]. De AOF die deze waarnemingen mogelijk heeft gemaakt, bestaat uit een groot aantal onderdelen die samenwerken, waaronder de Four Laser Guide Star Facility (4LGSF) en de zeer dunne en vervormbare secundaire spiegel van UT4 [3] [4]. De 4LGSF richt vier 22-watt laserbundels op de hemel om natriumatomen hoog in de atmosfeer aan het gloeien te brengen. Hierdoor ontstaan lichtvlekjes aan de hemel die sterren nabootsen. De sensoren in de adaptieve optische module GALACSI (Ground Atmospheric Layer Adaptive Corrector for Spectroscopic Imaging) gebruiken deze kunstmatige richtsterren om de atmosferische omstandigheden te kunnen vaststellen.
Duizend keer per seconde berekent het AOF-systeem de correctie die moet worden toegepast om de vorm van de secundaire spiegel zodanig bij te stellen dat atmosferische verstoringen worden gecompenseerd. GALACSI corrigeert met name voor de turbulentie tot een kilometer boven de telescoop. Afhankelijk van de omstandigheden kan de atmosferische turbulentie variëren met de hoogte, maar onderzoeken hebben laten zien dat het merendeel van de atmosferische verstoringen laag in de atmosfeer ontstaat. ‘Het AOF-systeem tilt de VLT als het ware 900 meter de lucht in, tot boven de meest turbulente laag van de atmosfeer,’ legt AOF-projectmanager Robin Arsenault uit. ‘Als we vroeger scherpere opnamen wilden maken, moesten we een betere plek zoeken of een ruimtetelescoop gebruiken. Maar met de AOF kunnen we, voor een fractie van de kosten, veel betere omstandigheden bereiken op de plek waar we zijn!’
De snelle correcties die de AOF toepast zorgen ervoor dat het door de telescoop opgevangen licht zodanig wordt gebundeld dat er scherpere beelden ontstaan. Hierdoor kan MUSE fijnere details onderscheiden en zwakkere sterren detecteren dan voorheen mogelijk was. GALACSI voorziet al in correcties over een groot beeldveld, maar dat is nog maar de eerste stap. De tweede modus van GALACSI, die naar verwachting begin 2018 in bedrijf komt, zal voor turbulentie op alle hoogten kunnen corrigeren. Vanaf dan kunnen, voor kleinere beeldvelden althans, nóg scherpere opnamen worden verkregen. ‘Zestien jaar geleden, toen we de bouw van het revolutionaire MUSE-instrument voorstelden, hadden we al de wens om dit aan een ander geavanceerd systeem te koppelen: de AOF,’ zegt MUSE-projectleider Roland Bacon. ‘Het toch al grote ontdekkingspotentieel van MUSE is nu nóg groter. Onze droom komt uit.’ Een van de belangrijkste wetenschappelijke doelen van het systeem is om zwakke objecten in het verre heelal, die belichtingstijden van vele uren vereisen, met een zo goed mogelijke beeldkwaliteit te kunnen waarnemen. ‘We zijn vooral geïnteresseerd in waarnemingen van de kleinste, zwakste sterrenstelsels op de grootste afstanden,’ zegt MUSE- en GALACSI-projectwetenschapper Joël Vernet. ‘Deze sterrenstelsels-in-wording – nog in hun kleutertijd – zijn cruciaal om te kunnen begrijpen hoe sterrenstelsels ontstaan.’
Overigens is MUSE niet het enige instrument dat profijt zal hebben van de AOF. In de nabije toekomst zal een ander adaptief optisch systeem – GRAAL geheten – in bedrijf komen bij het bestaande infraroodinstrument HAWK-I, dat dan ook scherpere beelden zal kunnen maken. Daar komt later dan nog het krachtige instrument ERIS bij. ‘ESO is toonaangevend bij de ontwikkeling van deze adaptieve optische systemen, en de AOF doet tevens pionierswerk voor ESO’s Extremely Large Telescope,’ voegt Arsenault toe. ‘Het werken aan de AOF heeft ons – wetenschappers, technici en industrie – waardevolle kennis en ervaring opgeleverd die we nu zullen gebruiken om de uitdagingen van de bouw van de ELT te overwinnen.’
Noten
[1] MUSE is integraal-veldspectrograaf, een krachtig instrument dat een driedimensionale dataset van het doelobject maakt, waarbij elke pixel van de opname overeenkomt met een lichtspectrum. Dit betekent in feite dat het instrument duizenden opnamen van het object tegelijk maakt, elk op een andere golflengte. Dat levert een schat aan informatie op.
[2] IC 4406 is al eens eerder waargenomen met de VLT (eso9827a).
[3] Met een middellijn van iets meer dan een meter, is dit de grootste en technologisch meest geavanceerde spiegel van een adaptief optisch systeem die ooit is gemaakt. Hij is in 2016 in de UT4 gemonteerd (ann16078), als vervanging van de oorspronkelijke, conventionele secundaire spiegel van de telescoop.
[4] Er zijn nog meer hulpmiddelen ontwikkeld en nu in bedrijf genomen om de werking van de AOF te optimaliseren. Deze omvatten onder meer een uitbreiding van de Astronomical Site Monitor-software waarmee de atmosfeer in de gaten wordt gehouden, om de hoogte te kunnen bepalen waarop de turbulentie plaatsvindt, en het Laser Traffic Control System (LTCS), dat voorkomt dat andere telescopen in de laserbundels of naar de kunstmatig opgewekte sterren kijken, wat hun waarnemingen zou kunnen hinderen.
