LARS - Sonnenbeobachtungen mit höchster Genauigkeit

LARS, der Laser Absolute Reference Spectrograph des Kiepenheuer-Instituts ist ein wissenschaftliches Instrument zur hochmodernen Sonnenbeobachtung am Vakuum Turm Teleskop (VTT) am Observatorio del Teide auf Teneriffa. LARS bietet die Möglichkeit das Spektrum der Sonne eines ausgewählten Bildfeldbereichs mit dem hochauflösenden Echelle-Spektrographen des VTT zu vermessen. Dabei wird zusätzlich das Emissionsspektrum eines neu installierten Laserfrequenzkamms überlagert. Da jeder Emissionsspitze des Kammspektrums eine genaue Frequenz zugeordnet wird, kann das Sonnenspektrum hinsichtlich seiner Wellenlänge absolut kalibriert werden. Die Spektrallinien werden dabei wie mit einem Lineal vermessen. Die Genauigkeit liegt im Bereich von m/s und ist somit ein Vielfaches besser als es bisherige Mittel erlaubten. Ein erfolgreiches Upgrade des Laserfrequenzkamms im Mai 2016 ermöglicht nun den stabilen Dauerbetrieb für diese weltweit einzigartige spektroskopische Beobachtung der Sonne.

Einer der größten Sonnenflecken der letzten Jahre wurde am 20. Mai 2016 mit dem wissenschaftlichen Instrument LARS am Vakuum Turm Teleskop auf Teneriffa beobachtet. LARS integriert das Licht eines 1", 3" oder 10" großen Bereichs auf der Sonne auf und leitet es zum hochauflösenden Echelle-Spektrographen des VTT. Ein neuer gekoppelter Laserfrequenzkamm liefert die absolute Wellenlängenskala.

Nachdem bereits 2005 der Physiknobelpreis für die hochmoderne Technik des Laserfrequenzkamms verliehen worden war, wurde 2008 die erste Installation eines Frequenzkamms am VTT realisiert. Das Upgrade des Systems im Mai 2016 erbrachte nun den entscheidenden Fortschritt zur automatisierten Nutzung des Instruments.

Im Falle des Frequenzkamms von LARS  sendet ein Laser im Nah-Infraroten bei 1060nm Pulse im Femtosekundenbereich aus. Durch Fourier-Transformation des Signals entsteht somit ein stabiles wohldefiniertes Emissionsspektrum im Frequenzbereich, das von seinem Erscheinungsbild dem eines Kamms ähnelt. Die exakt 250MHz voneinander entfernten Kamm-Moden werden mittels zweier Fabry-Perot-Interferometer so gefiltert, dass die finalen Moden einen Abstand von 8GHz besitzen. Um den Einsatz des Frequenzkamms über einen weiten Bereichs zu gewährleisten, wird das Spektrum zudem von einer photonischen Kristallfaser über einen weiten Bereich von etwa 500nm bis 1500nm aufgeweitet. 

Um das Spektrum des Frequenzkamms und der Sonne abwechselnd zu vermessen wird das Licht beider Quellen mit Single-Mode-Fasern zum Echelle-Spektrographen des VTT geleitet. Wie in der Abbildung veranschaulicht, wird für die Sonnenbeobachtung eine der drei Bildfeldgrößen (1", 3", 10") ausgewählt. In einem weiteren Bildkanal wird ein Kontextbild der Sonne (hier: Sonnenfleck) aufgenommen.

Schließlich kann das integrierte Sonnenspektrum mittels der absoluten Wellenlängenskala des Frequenzkamms kalibriert werden. Nach Bereinigung von systematischen Geschwindigkeitsfaktoren wie Planetenbewegung, Sonnenrotation und gravitativer Rotverschiebung kann die Verschiebung der Spektrallinie relativ zur bekannten Laborwellenlänge bestimmt werden. Die Genauigkeit der so erhaltenen Dopplergeschwindigkeiten liegt im Bereich von m/s und darunter.

Diese neuartige spektroskopische Technik erlaubt die genaueste Bestimmung von Geschwindigkeiten in der Sonnenatmosphäre, die Vermessung von Sonnenoszillationen und magneto-akustischen Wellen in Sonnenflecken, sowie die Analyse der Mitte-Rand-Variation der konvektiven Blauverschiebung. LARS erlaubt zudem die Erstellung bester spektraler Atlanten und die Vermessung von Spektrallinien im Labor. Durch seine spektrale Genauigkeit kann LARS auch zur Entdeckung von Exoplaneten oder zur Messung der Beschleunigung der kosmischen Expansion beitragen. 

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