Sonnenforschung: Neues Sonnenteleskop auf dem Big Bear in Betrieb
© BBSO/New Jersey Institute of Technology (Ausschnitt)
In den San Bernadino Bergen in Kalifornien liegt im Big Bear Lake das Big Bear Solar Observatory. Der ungewöhnliche Standort wurde gewählt, weil die Luft über dem Wasser häufig besonders ruhig ist und nur wenig in der Hitze des Tages flimmert. Derzeit befindet sich dort das "New Solar Telescope" (NST) in Erprobung, ein Instrument mit einem Hauptspiegeldurchmesser von 1,6 Metern.
Das Besondere an diesem Instrument ist der Einsatz einer adaptiven Optik zur Ausschaltung der verbleibenden Luftunruhe. Sonnenbeobachtungen finden naturgemäß am Tage statt, wenn die Sonne hoch am Himmel steht und die Luft in der Umgebung erwärmt. Trotz der Lage im See mit seiner ruhigen Luft kommt es dadurch zu Luftflimmern in den höheren Schichten der Atmosphäre, so dass das Sonnenbild verschwimmt.
Eine adaptive Optik analysiert mit speziellen Sensoren die Luftunruhe mit ihren Verzerrungen im Sichtbereich des Teleskops und sendet Steuerdaten an einen deformierbaren Spiegel im Strahlengang. Dieser verformt sich so, dass er der Luftunruhe entgegenwirkt und die Sonne scharf auf den Bildsensoren erscheint. Derzeit ist der Korrekturspiegel mit 97 Stellmotoren für die Verformung ausgestattet, aber in einem Jahr soll ein neuer Korrekturspiegel mit 349 Stellmotoren für einen noch besseren Ausgleich der Luftunruhe sorgen.
Das NST erreicht mit eingeschalteter adaptiver Optik eine Auflösung von durchschnittlich 80 Kilometern pro Bildpunkt auf der Sonnenoberfläche, wodurch sich viele Details erkennen lassen.
Das beigestellte Bild vom 2. Juli 2010 zeigt einen typischen Sonnenfleck von etwa der Größe unserer Erde. Er entsteht durch lokale Magnetfelder in der Sonnenoberfläche, die den Energiefluss aus dem Sonneninneren reduzieren. In seinem dunklen Inneren ist er etwa 1000 Grad Celsius kühler als die Sonnenoberfläche mit durchschnittlich 5500 Grad Celsius. Er erscheint nur wegen des Temperaturunterschieds zur umgebenden Sonnenoberfläche so dunkel.
Um die Kernzone, die Umbra, herum erstreckt sich die Penumbra. Ihre streifenartige Struktur entsteht durch die Magnetfeldlinien des lokalen Magnetfelds, die das heiße Plasma der Sonnenoberfläche formen. Den Sonnenfleck umgibt die typische gekörnte Struktur der ruhigen Sonnenoberfläche, die Granulation (abgeleitet aus dem lateinischen granum für Korn). Die einzelnen "Körner" sind die Oberseiten von Konvektionszellen mit einem Durchmesser um 1000 Kilometer. In ihnen steigt heißes Gas aus dem Sonneninneren an die Oberfläche und kühlt dort ab. Es sinkt dann, weil es dabei dichter wird, an den Rändern der Konvektionszellen wieder ab.
Ein Sonnenteleskop mit einem so großen Spiegeldurchmesser wie das NST ist ungewöhnlich, da im Gegensatz zu allen anderen astronomischen Objekten die Sonnenstrahlung im Überfluss einfällt. Daher müssen die Teleskopkonstrukteure dafür sorgen, dass der größte Teil der Sonnenstrahlung aus dem Instrument herausgelenkt wird, weil sonst die Bildsensoren in Sekundenbruchteilen verschmoren würden. Für eine detailreiche Abbildung der Sonnenoberfläche ist aber eine große Öffnung des Teleskops notwendig, da die Auflösung linear mit dem Durchmesser der Optik gekoppelt ist. Ohne eine adaptive Optik ist bei der Sonne eine großer Hauptspiegeldurchmesser nicht sinnvoll, weil dann die Auflösung auf der Sonnenoberfläche nicht von der Optik, sondern von der stets vorhandenen Luftunruhe, dem seeing, begrenzt wird.
Das NST ist jedoch nur ein Testteleskop für ein noch wesentlich größeres Instrument und dient zur Erprobung der grundlegenden Technologien. In einigen Jahren soll in den USA das "Advanced Technology Solar Telescope" (ATST) mit einem Spiegeldurchmesser von vier Metern gebaut werden und soll auf den mit dem NST gemachten Erfahrungen aufbauen.
Auch die europäischen Sonnenbeobachter sind auf dem Feld neuer Instrumente nicht untätig und errichten derzeit auf dem Vulkan Teide auf Teneriffa das 1,5-Meter-Sonnenteleskop Gregor, das ebenfalls mit einer adaptiven Optik ausgerüstet ist und noch in diesem Jahr in Betrieb gehen soll. Im Endausbau soll es Bilder mit einer räumlichen Auflösung von 70 Kilometern von unserem Tagesgestirn aufnehmen.
Tilmann Althaus
Das Besondere an diesem Instrument ist der Einsatz einer adaptiven Optik zur Ausschaltung der verbleibenden Luftunruhe. Sonnenbeobachtungen finden naturgemäß am Tage statt, wenn die Sonne hoch am Himmel steht und die Luft in der Umgebung erwärmt. Trotz der Lage im See mit seiner ruhigen Luft kommt es dadurch zu Luftflimmern in den höheren Schichten der Atmosphäre, so dass das Sonnenbild verschwimmt.
Eine adaptive Optik analysiert mit speziellen Sensoren die Luftunruhe mit ihren Verzerrungen im Sichtbereich des Teleskops und sendet Steuerdaten an einen deformierbaren Spiegel im Strahlengang. Dieser verformt sich so, dass er der Luftunruhe entgegenwirkt und die Sonne scharf auf den Bildsensoren erscheint. Derzeit ist der Korrekturspiegel mit 97 Stellmotoren für die Verformung ausgestattet, aber in einem Jahr soll ein neuer Korrekturspiegel mit 349 Stellmotoren für einen noch besseren Ausgleich der Luftunruhe sorgen.
Das NST erreicht mit eingeschalteter adaptiver Optik eine Auflösung von durchschnittlich 80 Kilometern pro Bildpunkt auf der Sonnenoberfläche, wodurch sich viele Details erkennen lassen.
Das beigestellte Bild vom 2. Juli 2010 zeigt einen typischen Sonnenfleck von etwa der Größe unserer Erde. Er entsteht durch lokale Magnetfelder in der Sonnenoberfläche, die den Energiefluss aus dem Sonneninneren reduzieren. In seinem dunklen Inneren ist er etwa 1000 Grad Celsius kühler als die Sonnenoberfläche mit durchschnittlich 5500 Grad Celsius. Er erscheint nur wegen des Temperaturunterschieds zur umgebenden Sonnenoberfläche so dunkel.
Um die Kernzone, die Umbra, herum erstreckt sich die Penumbra. Ihre streifenartige Struktur entsteht durch die Magnetfeldlinien des lokalen Magnetfelds, die das heiße Plasma der Sonnenoberfläche formen. Den Sonnenfleck umgibt die typische gekörnte Struktur der ruhigen Sonnenoberfläche, die Granulation (abgeleitet aus dem lateinischen granum für Korn). Die einzelnen "Körner" sind die Oberseiten von Konvektionszellen mit einem Durchmesser um 1000 Kilometer. In ihnen steigt heißes Gas aus dem Sonneninneren an die Oberfläche und kühlt dort ab. Es sinkt dann, weil es dabei dichter wird, an den Rändern der Konvektionszellen wieder ab.
Ein Sonnenteleskop mit einem so großen Spiegeldurchmesser wie das NST ist ungewöhnlich, da im Gegensatz zu allen anderen astronomischen Objekten die Sonnenstrahlung im Überfluss einfällt. Daher müssen die Teleskopkonstrukteure dafür sorgen, dass der größte Teil der Sonnenstrahlung aus dem Instrument herausgelenkt wird, weil sonst die Bildsensoren in Sekundenbruchteilen verschmoren würden. Für eine detailreiche Abbildung der Sonnenoberfläche ist aber eine große Öffnung des Teleskops notwendig, da die Auflösung linear mit dem Durchmesser der Optik gekoppelt ist. Ohne eine adaptive Optik ist bei der Sonne eine großer Hauptspiegeldurchmesser nicht sinnvoll, weil dann die Auflösung auf der Sonnenoberfläche nicht von der Optik, sondern von der stets vorhandenen Luftunruhe, dem seeing, begrenzt wird.
Das NST ist jedoch nur ein Testteleskop für ein noch wesentlich größeres Instrument und dient zur Erprobung der grundlegenden Technologien. In einigen Jahren soll in den USA das "Advanced Technology Solar Telescope" (ATST) mit einem Spiegeldurchmesser von vier Metern gebaut werden und soll auf den mit dem NST gemachten Erfahrungen aufbauen.
Auch die europäischen Sonnenbeobachter sind auf dem Feld neuer Instrumente nicht untätig und errichten derzeit auf dem Vulkan Teide auf Teneriffa das 1,5-Meter-Sonnenteleskop Gregor, das ebenfalls mit einer adaptiven Optik ausgerüstet ist und noch in diesem Jahr in Betrieb gehen soll. Im Endausbau soll es Bilder mit einer räumlichen Auflösung von 70 Kilometern von unserem Tagesgestirn aufnehmen.
Tilmann Althaus
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