Laser Frequency Combs for Astronomical Observations

T. Steinmetz1,2, T. Wilken
1, C. Araujo-Hauck3, R. Holzwarth1,2, T. W. Hänsch1, L. Pasquini3, A. Manescau3, S. D'Odorico3,
M. T. Murphy
4, T. Kentischer5, W. Schmidt5 , and Th. Udem1
1Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Hans-Kopfermann-Strasse 1, D-85748 Garching, Germany
2Menlo Systems GmbH, Am Klopferspitz 19, D-82152 Martinsried, Germany
3European Southern Observatory, Karl-Schwarzschild-Strasse 3, D-85748 Garching, Germany
4Centre for Astrophysics and Supercomputing, Swinburne University of Technology, Mail H39, PO Box 218, Victoria 3122, Australia
5Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik, Schöneckstr. 6, D-79104 Freiburg, Germany


Erschienen in Science 321, 1335 (2008)



Der Artikel

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Presseerklärungen:
Presseerklärung der Planck Gesellschaft (MPG): PDF
Presserklärung der Europäischen Südsternwarte (ESO):
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Swinburne Media release: HTML


Zusammenfassung
Die Zeit lässt sich von allen physikalischen Größen am genauesten bestimmen und ist deswegen eine der wichtigsten Messgrößen überhaupt. Die heutigen  Cäsium-Atomuhren würden nach etwa einer Million Jahren nur etwa eine Sekunde falsch gehen. Mit einem so genannten optischen Frequenzkamm, für den es im Jahre 2005 den Physik Nobelpreis für Theodor Hänsch (einem der Autoren) und John Hall gab, lässt sich diese Genauigkeit auf einfache Weise auf die Spektrallinien eines Lasers übertragen. Für diesen Zweck wird ein Speziallaser verwendet der extrem kurze Laserblitze erzeugt. Auf diese Weise erhält der Laser bis zu einer Million Spektrallinien, d.h. Farben, anstatt der sonst üblichen einzelnen Farbe. Werden die Laserspektrallinien mit den Spektrallinien eines Sterns (Fraunhofer-Linen) überlagert, so lassen sich diese mit der Genauigkeit der Atomuhr vermessen. Durch die Bewegung des Sterns sind diese Linien jedoch wegen des so genannten Doppler Effekts gegenüber den auf der Erde beobachteten Linie Verschoben. Durch die genaue Messung dieser Verschiebung kann daher die Geschwindigkeit des Sterns relativ zur Erde gemessen werden. Der Fequenzkamm erlaubt nun eine wesentlich höhere Genauigkeit dieses Verfahrens als bisherige Methoden.

Kosmische Geschwindigkeiten sind eine sehr wichtige Messgröße anhand derer zum Beispiel extrasolare Planeten, also Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt werden können. Weil Planeten im Vergleich zu Sternen sehr klein sind und zudem nicht selber leuchten, sind sie mit einem Teleskop nicht auszumachen. Das gilt selbst dann, wenn man das größte Teleskop der Welt auf den nächsten Fixstern (Alpha Centauri 4,3 Lichtjahre) richtet. In der Tat war es bis vor wenigen Jahren nicht bekannt ob es noch andere Sterne außer unserer Sonne mit Planeten gibt. Denkbar, aber höchst unwahrscheinlich erschein die Möglichkeit, dass unser Zentralgestirn das einzige mit bewohnbaren Planeten von allein 200 Milliarden Sternen in unserer Galaxis ist. Mittlerweile gibt es verschiedene Möglichkeiten um diese extrasolaren Planeten zu detektieren. Eine sehr erfolgreiche Methode ist es die winzige periodische Rückstoßbewegung des Sterns der durch den Umlauf des Planeten verursacht wird zu messen. Dazu ist eine sehr hohe Messgenauigkeit erforderlich. Unsere Sonne wird durch den Umlauf der Erde mit nur etwa 10 cm pro Sekunde "durchgeschüttelt". Dies ist eine im Vergleich zur Umlaufgeschwindigkeit der Sonne um das Zentrum der Galaxis (220 Kilometer pro Sekunde) geradezu lächerliche Geschwindigkeit. Deswegen gelingt es mit bisherigen Geschwindigkeitsmessungen lediglich riesige Planeten (wie  Jupiter) in einem kleinen Abstand zu einer vergleichsweise kleinen Sonne zu detektieren. Mit der Genauigkeit des Frequenzkamms wird es nun möglich sein auch bewohnbare Erdähnliche Planeten die um Sonnenähnliche Sterne kreisen nachzuweisen, falls es sie denn gibt.

Eine weitere wichtige Anwendung der genauen kosmischen Geschwindigkeitsmessungen betrifft das Universum als Ganzes. Wir wissen seit den ersten Geschwindigkeitsmessungen von Edwin Hubble in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts, dass sich das Universum unaufhaltsam ausdehnt. Dies wird im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie als eine gigantische Explosion, dem Urknall gedeutet. Jüngste Messungen mit der Wilkinson Mikrowave Anisotropy Probe (WMAP)  legen den Schluss nah, dass sich das Universum sogar immer schneller ausbreitet. Diese Beschleunigung scheint durch eine mysteriöse Form der Energie, der so genannten "dunklen Energie" getrieben zu sein wenn man den Gleichungen von Einsteins der allgemeiner Relativitätstheorie glaubt. Das Problem ist, dass kein ernstzunehmender Wissenschaftler momentan auch nur eine Ahnung hat um was es sich bei der dunklen Energie handeln könnte. Soviel scheint sicher, es ist keine der bisher bekannten Formen der Energie. Um einen Ausweg aus diesem Dilemma zu finden kann man nach dieser Energieform oder aber nach möglichen Fehlern in der  allgemeinen Relativitätstheorie fahnden. Diese Theorie ist, im Gegensatz zur speziellen Relativitätstheorie noch nicht besonders gut getestet und könnte also fehlerhaft sein. Der astronomische Frequenzkamm bietet eine Lösung. Aufgrund der hohen Messgenauigkeit lassen sich die Geschwindigkeiten von ausgewählten Teilen des Universums mit einer solchen Präzision beobachten, dass nach wenigen Jahren klar sein sollte ob sich diese Geschwindigkeiten ändern, oder ob diese Schlussfolgerung  lediglich ein Artefakt der dann wohl falschen Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie ist.


 

Abbildungen
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Credit

Keine Schema des Experiments: Das Licht der Sonne oder eines anderen Sterns wird mit Hilfe eines Teleskops in eine Glasfaser eingekoppelt und einem Spektrometer, dargestellt durch das Prisma, zugänglich gemacht. Auf dem Schirm des Spektrometers erkennt man die dunklen Spektrallinien der Sonne (Fraunhofer Linien) die durch die Absorption in der Photosphäre der Sonne entstehen. Überlagert dazu erkennt man die Spektrallinien das Laser Lasers als helle Streifen. Wegen der regelmäßigen Struktur dieser Streifen und weil man diese mit Hilfe der Frequenz einer Atomuhr stabilisiert, wird das Ganze Frequenzkamm genannt.
ESO

Keine Der Frequenzkamm, das heißt das Licht aus dem gepulsten Laser, besteht aus sehr vielen Farben die bei genauerer Bertachtung in einem hoch auflösenden Spektrometer (wie an dem Teleskop verfügbar) ein Kammstruktur offenbart. Die Spektrallinien des Kamms können dabei mit Hilfe der angegebenen Formel mit der Genauigkeit einer Atomuhr angegeben werden.
Theodor Hänsch



Animation als avi
Durch den Umlauf eines Planeten (in grün) um einen Stern erhält dieser einen Rückstoß der hier stark übertriebnen dargestellt ist. Dadurch ergibt sich eine mit dem Umlauf synchronisierte Geschwindigkeitsvariation, die man durch die Verschiebung der Spektrallinien bzw. der Farbe des Sterns erkennen kann. Diese Farbveränderung ist hier stark übertrieben dargestellt. In Wahrheit benötigt man die Genauigkeit einer Atomuhr um diese bei einem kleinen Planeten wie die Erde nachzuweisen.

Thomas Udem
Keine Durch den Umlauf eines Planeten (in grün) um einen Stern erhält dieser einen Rückstoß der hier stark übertriebnen dargestellt ist. Dadurch ergibt sich eine mit dem Umlauf synchronisierte Geschwindigkeitsvariation, die man durch die Verschiebung der Spektrallinien bzw. der Farbe des Sterns erkennen kann. Diese Farbveränderung ist hier stark übertrieben dargestellt. In Wahrheit benötigt man die Genauigkeit einer Atomuhr um diese bei einem kleinen Planeten wie die Erde nachzuweisen. Thomas Udem


Animation als avi Durch die Expansion des Universums scheinen sich alle Galaxien von uns zu entfernen. Dadurch werden ihre Spektrallinien ins Rote verschoben wie in der oberen Grafik dargestellt. Diese Verschiebung hat Edwin Hubble in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts entdeckt. Würde das Universum kontrahieren so würden die Spektrallinien der Sterne blau verschoben erscheinen wie in der unteren Grafik dargestellt. Durch eine langsame Änderung dieser Verschiebung, wie sie nun mit dem Frequenzkamm messbar wird, lässt sich feststellen ob das Universum tatsächlich immer schneller expandiert wie es die allgemeine Relativitätstheorie anhand neuer Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds nahe legt.
Thomas Udem
keine Tilo Steinmetz (links) und Constanz Araujo-Hauck (rechts) bei der Justage des Frequnzkamms am VTT Sonnenteleskop auf Teneriffa. Constanza Araujo-Hauck


Abbildungen aus dem Artikel
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Keine Figure 1: Zeigt links oben schematisch das VTT Sonnenteleskop auf Teneriffa welches für diese Arbeit verwendet wurde. Die Überlagerung mit dem Frequenzkamm, der unten dargestellt ist, erfolgt mit Hilfe eines Strahlteilers. Gemeinsam werden beide Lichtquellen dem Spektrometer zugeführt (rechts dargestellt). Um den Frequenzkamm für diesen Zweck verwenden zu können, muss der Frequenzdifferenz der Spektrallinien soweit erhöht werden, dass sie vom Spektrometer aufgelöst werden können. Dies geschieht in einer "Fabry-Perot filter cavity".

Keine Figure 2: Ein Ausschnitt des gemessenen Spektrums mit Vergrößerung (oben). Die dunklen Linien entstehen durch Absorption von gasförmigen Elementen in der Photosphäre der Sonne und durch Absorptionen in der Erdatmosphäre. Überlagert dazu erkennt man die Spektrallinien des Frequenzkamms als helle Streifen. Diese dienen der präzisen Kalibrierung des gesamten Sonnenspektrums mit Hilfe einer an den Frequenzkamm angeschlossenen Rubidium Atomuhr (Rb-clock).



Letzte Änderung: 5. September 2008 0:20