Research & Development

Exoplaneten-Suche mit Frequenzkamm

06.07.2012

Als Kalibrationsquellen an astronomischen Spektrographen erleichtern Laser-Frequenzkämme jetzt die Suche nach extrasolaren Planeten. Auch könnten sie es ermöglichen, kleine Änderungen der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums direkt zu messen.

"Wenn ein Planet um einen fernen Stern kreist, dann steht dieser Stern nicht vollkommen still, sondern er bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um den gemeinsamen Schwerpunkt des Systems Stern + Planet. Allerdings liegt dieser Punkt meist nicht weit vom Mittelpunkt des Sterns entfernt, ggf. sogar innerhalb des Sterns, so dass dessen Bahnradius sehr viel kleiner ist als der des Planeten – der allerdings für irdische Teleskope nicht direkt sichtbar ist.
Deshalb beruht eine der erfolgreichsten Nachweismethoden für Exoplaneten auf der Messung periodischer Dopplerverschiebungen im Spektrum des Muttersterns. Bewegt sich der Stern auf den Beobachter zu oder von ihm weg, dann verschieben sich dessen Spektrallinien zu geringfügig höheren oder niedrigeren Frequenzen. Zum Vergleich: Die Sonne bewegt sich mit 220 km/s um das galaktische Zentrum, während die Erde sie nur mit rund 9 cm/s „taumeln“ lässt.
Die minimale Dopplerverschiebung im Sternenspektrum ist nur mit hochpräzisen Instrumenten nachzuweisen, deren Genauigkeit bislang durch altersbedingte Änderungen der Kalibrationsquellen begrenzt war (z.B. Thorium-Spektrallampe). Erheblich steigern lässt sich die Genauigkeit mit den Ende der 1990er Jahre entwickelten Frequenzkämmen, für die Prof. Theodor W. Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ), Garching, gemeinsam mit John Hall den Nobelpreis 2005 für Physik erhielt. Ein Laser-Frequenzkamm weist ein diskretes Spektrum vieler äquidistanter Linien auf, die an einen Kamm erinnern und die Genauigkeit von Atomuhren erreichen.
Seit 2005 kooperieren das MPQ, die Europäische Südsternwarte (ESO), das Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) und die Menlo Systems GmbH, Martinsried, bei der Modifikation der Frequenzkammtechnik zur Kalibrierung von Spektrographen. Nach erfolgreichen ersten Tests 2008 am VTT-Teleskop auf Teneriffa begann die Entwicklung eines Frequenzkamms für den High Accuracy Radial velocity Planet Searcher (HARPS), einen Spektrographen am 3,6-Meter-Teleskop der ESO am La Silla Observatorium in Chile. Da der HARPS-Spektrograph eine Auflösung von ca. 10⁵ hat, musste der Linienabstand des Frequenzkamms mit etwa 10 GHz deutlich größer sein. Außerdem arbeiten astronomische Spektrographen im sichtbaren Spektralbereich, da das Sternenlicht hier besonders strukturreich ist.
Als Frequenzkamm-Basis wurde ein störungsunempfindliches Faserlaser-System gewählt, das jedoch im IR mit Linienabständen von wenigen 100 MHz emittiert. Mit einer Kaskade spektraler Filter und neuartigen Spezialfasern aus der Gruppe von Philip Russell (MPI für die Physik des Lichts, Erlangen) gelang es, einen Frequenzkamm mit dem benötigten Linienabstand und einem breiten Spektrum im sichtbaren Bereich zu erzeugen. Die Kalibrierung des HARPS-Spektrographen mit diesem Frequenzkamm ergab eine zehnmal höhere Genauigkeit als mit konventionellen Spektrallampen und erlaubt es, Geschwindigkeitsänderungen bis hinunter zu 2,5 cm/s zu detektieren. Dies wird die Suche nach erdähnlichen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems erheblich erleichtern.
Darüber hinaus soll auch die vermutete Zunahme der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums direkt gemessen werden. Die extrem kleinen Änderungen von jährlich nur ca. 1 cm/s soll in Zukunft das European Extremely Large Telescope E-ELT messen (s. S. 11). Durch hochpräzise Frequenzkämme kann der dafür konzipierte CODEX-Spektrograph mit einer Genauigkeit von 1 : 3·10¹¹ kalibriert werden.
[T. Wilken, G. Lo Curto, R.A. Probst, T. Steinmetz, A. Manescau, L. Pasquini, J.I. González Hernández, R. Rebolo, Th.W. Hänsch, Th. Udem, R. Holzwarth, A spectrograph for exoplanet observations calibrated at the centimetre-per-second level, Nature, 31. Mai 2012, DOI:10.1038/nature11092]"

Photonik 4/2012

• http://www.mpq.mpg.de
• http://www.mpl.mpg.de
• http://www.eso.org
• http://www.iac.es
• http://www.menlosystems.com

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