News: Frequenzkamm kalibriert Spektrografen präziser
© ESO (Ausschnitt)
Ein internationales Forscherteam um Tilo Steinmetz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat jetzt ein Messprinzip erprobt, um selbst kleinste Bewegungssänderungen bei astronomischen Objekten nachzuweisen. Ihre Methode könnte bald bis zu tausendmal genauer sein als derzeit verfügbare Verfahren.
Bevor Astronomen die Strahlung von Sternen analysieren, schicken sie diese für gewöhnlich durch einen Spektrografen. Wie ein Prisma spaltet er das Spektrum des Lichts in seine einzelnen Spektralfarben oder Frequenzen auf. Damit diese genau vermessen werden können, muss ein solches Instrument geeicht sein – so wie auch ein Lineal korrekt beschriftet sein muss, um Längen präzise zu messen. Denn wegen Instabilitäten liefern selbst die besten Spektrografen für ein und dasselbe Gestirn in zwei Messungen zwei leicht verschiedene Spektren, auch wenn sich das Licht des Sterns gar nicht verändert hat.
Um das Strahlungsspektrum auf verlässlichere Weise zu ermitteln, machen sich Steinmetz und seine Kollegen einen so genannten Frequenzkamm zu Nutze. In diesem besonderen Kamm fächern Physiker einen Laserstrahl zu einer Reihe von Spektrallinien auf, deren Frequenzen, also Farben, sie sehr exakt bestimmen können. "Das Ergebnis hängt hierbei nur von der Genauigkeit der Atomuhr ab, mit der wir die Frequenzen abzählen", erklärt Thomas Udem, ebenfalls vom MPI für Quantenoptik. Die Spektrallinien eines Sterns oder anderen Himmelsobjekts, vergleichen die Wissenschaftler dann mit diesem Frequenzkamm.
"Da wir genau wissen, wo die Linien des Frequenzkamms liegen, können wir die Schwankungen aus den Messungen herausrechnen und unsere Messgenauigkeit so drastisch erhöhen", berichtet Udem weiter. Bislang hat das Wissenschaftlerteam mit der neuen Messmethode die Instabilitäten eines Spektrografen soweit korrigiert, das die Geschwindigkeit eines beobachteten Objekts nur noch um scheinbare neun Meter pro Sekunde schwankt. Und das sei bereits ein bisschen besser als der derzeitige Standard. Dabei testeten sie die neue Methode mit einem Sonnenteleskop auf Teneriffa, welches für diesen Zweck gar nicht ausgelegt ist.
Manche Teleskope liefern dagegen Ergebnisse, die auch ganz ohne Kalibrierung schon mehr als zehn Millionen Mal stabiler sind. Diese wollen die Forscher um Steinmetz in Zukunft mit der neuen Technik kombinieren. Außerdem haben die Wissenschaftler bislang nur einen Frequenzkamm mit ein paar hundert Zähnen verwendet. "Wir können aber mit mehreren Zehntausend messen", so Udem. Daher sind die Forscher sehr zuversichtlich, dass sie mit einem optimalen Aufbau auch Geschwindigkeitsschwankungen von einem Zentimeter pro Sekunde nachweisen können.
Mit dieser Präzision könnte die Suche nach erdähnlichen Planeten erheblich vorangetrieben werden, berichten die Forscher. Zudem ließe sich dann vielleicht auch das von einer mysteriösen Dunklen Energie angetriebene Universum überführen. Denn mit der derzeit möglichen Messgenauigkeit müssten Astronomen die Dynamik ferner Galaxien mehrere tausend Jahre lang studieren, um den vorausgesagten Effekt festzustellen. Mit dem Frequenzkamm sollte sich aber bereits nach rund zehn Jahren zeigen, ob sich das Universum tatsächlich immer schneller ausdehnt oder ob schlicht und einfach die gegenwärtigen Theorien fehlerhaft sind.
© spektrumdirekt/Max-Planck-Gesellschaft
Bevor Astronomen die Strahlung von Sternen analysieren, schicken sie diese für gewöhnlich durch einen Spektrografen. Wie ein Prisma spaltet er das Spektrum des Lichts in seine einzelnen Spektralfarben oder Frequenzen auf. Damit diese genau vermessen werden können, muss ein solches Instrument geeicht sein – so wie auch ein Lineal korrekt beschriftet sein muss, um Längen präzise zu messen. Denn wegen Instabilitäten liefern selbst die besten Spektrografen für ein und dasselbe Gestirn in zwei Messungen zwei leicht verschiedene Spektren, auch wenn sich das Licht des Sterns gar nicht verändert hat.
Um das Strahlungsspektrum auf verlässlichere Weise zu ermitteln, machen sich Steinmetz und seine Kollegen einen so genannten Frequenzkamm zu Nutze. In diesem besonderen Kamm fächern Physiker einen Laserstrahl zu einer Reihe von Spektrallinien auf, deren Frequenzen, also Farben, sie sehr exakt bestimmen können. "Das Ergebnis hängt hierbei nur von der Genauigkeit der Atomuhr ab, mit der wir die Frequenzen abzählen", erklärt Thomas Udem, ebenfalls vom MPI für Quantenoptik. Die Spektrallinien eines Sterns oder anderen Himmelsobjekts, vergleichen die Wissenschaftler dann mit diesem Frequenzkamm.
"Da wir genau wissen, wo die Linien des Frequenzkamms liegen, können wir die Schwankungen aus den Messungen herausrechnen und unsere Messgenauigkeit so drastisch erhöhen", berichtet Udem weiter. Bislang hat das Wissenschaftlerteam mit der neuen Messmethode die Instabilitäten eines Spektrografen soweit korrigiert, das die Geschwindigkeit eines beobachteten Objekts nur noch um scheinbare neun Meter pro Sekunde schwankt. Und das sei bereits ein bisschen besser als der derzeitige Standard. Dabei testeten sie die neue Methode mit einem Sonnenteleskop auf Teneriffa, welches für diesen Zweck gar nicht ausgelegt ist.
Manche Teleskope liefern dagegen Ergebnisse, die auch ganz ohne Kalibrierung schon mehr als zehn Millionen Mal stabiler sind. Diese wollen die Forscher um Steinmetz in Zukunft mit der neuen Technik kombinieren. Außerdem haben die Wissenschaftler bislang nur einen Frequenzkamm mit ein paar hundert Zähnen verwendet. "Wir können aber mit mehreren Zehntausend messen", so Udem. Daher sind die Forscher sehr zuversichtlich, dass sie mit einem optimalen Aufbau auch Geschwindigkeitsschwankungen von einem Zentimeter pro Sekunde nachweisen können.
Mit dieser Präzision könnte die Suche nach erdähnlichen Planeten erheblich vorangetrieben werden, berichten die Forscher. Zudem ließe sich dann vielleicht auch das von einer mysteriösen Dunklen Energie angetriebene Universum überführen. Denn mit der derzeit möglichen Messgenauigkeit müssten Astronomen die Dynamik ferner Galaxien mehrere tausend Jahre lang studieren, um den vorausgesagten Effekt festzustellen. Mit dem Frequenzkamm sollte sich aber bereits nach rund zehn Jahren zeigen, ob sich das Universum tatsächlich immer schneller ausdehnt oder ob schlicht und einfach die gegenwärtigen Theorien fehlerhaft sind.
© spektrumdirekt/Max-Planck-Gesellschaft
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