„Das innovative Design der J-PAS-Kamera und des Filtersystems wird es zum ersten Mal möglich machen, die Positionen Hunderter Millionen von Galaxien am Himmel zu bestimmen, was uns die erste vollständige 3D-Karte des Universums liefern wird.” Diese Aussage von Dr. Antonio Marín-Franch, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Leiter Instrumentation Group bei CEFCA (Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón), misst scheinbar wenig spektakulären Komponenten einen hohen Stellenwert zu. Aber der erste Blick trügt: Die bunten, rings um einen Rahmen angeordneten Bandpassfilter für die hochauflösende Astrokamera spielen eine Schlüsselrolle auf einer buchstäblich galaktischen Mission.

Das Observatorio Astrofísico de Javalambre (OAJ), das knapp 2.000 Meter über dem Meeresspiegel auf dem „Pico del Buitre“ in der spanischen Region Aragón thront, will mehrere Tausend Quadratgrade (Deg²) Himmel fotometrisch durchmustern. Dafür betreibt das staatliche Forschungsinstitut für Astrophysik und Kosmologie CEFCA zwei Teleskope mit außergewöhnlich breitem Sichtfeld. Das JAST/T80 verfügt über einen Spiegel aus ZERODUR® Glaskeramik mit 83 Zentimetern Durchmesser und ein 2-Grad-Sichtfeld. Es führt erste große Himmelsobservationen durch und unterstützt auch die Kalibrierung für die astrophysikalische Durchmusterung gemäß der Untersuchung J-PAS (Javalambre Physics of the Accelerating Universe Astrophysical Survey), die zur genauen 3D-Kartierung aller Galaxien beitragen soll. Dazu dient das größere JST/T250-Teleskop mit 2,55 Metern Spiegeldurchmesser und einem 3-Grad-Sichtfeld. Es soll in seinen ersten fünf Betriebsjahren 800 Quadratgrade, also ein Fünftel des gesamten Himmels, durchmustern.
Bearbeitung und Qualitätsprüfung der Filtergläser
Die Bearbeitung und Qualitätsprüfung der Filtergläser erfolgte im SCHOTT Kompetenzzentrum für optische Hoch-Präzisions-Komponenten und Beschichtungen in Yverdon, Schweiz. Foto: SCHOTT/A. Sell
Filter in einem Filterrad
Die Filter kommen in einem Filterrad (unten) zum Einsatz. Mit diesem ist es möglich, eine Vielzahl von Parametern zu ermitteln, die für die Entwicklung von Galaxien relevant sind. Foto: SCHOTT/Cefca

Über 80 Filter für zwei Teleskope

Diese Observierungen benötigen spezielle, hochpräzise Astrofilter, mit deren Hilfe sich enge Wellenlängenbereiche des Sternenlichts untersuchen lassen. Denn nur so lässt sich zum Beispiel die Entfernung astronomischer Objekte mittels Messung der Rotverschiebung des von ihnen ausgestrahlten Lichts bestimmen. „Das Filtersystem erlaubt es, viele Parameter zu messen, die für die Entwicklung von Galaxien wichtig sind: etwa die Temperaturen der Sterne, ihre Masse, die Verteilung ihres Alters und ihren Metallgehalt”, erläutert Dr. Antonio Marín-Franch.

Dazu entwickelten CEFCA-Wissenschaftler gemeinsam mit Experten von SCHOTT mehrere Sets steilkantiger und schmalbandiger Bandpassfilter, davon zwölf Filter für das kleinere und rund 70 für das große Javalambre-Teleskop. Diese Astrofilter lassen das einfallende Licht in einem nur 10 bis 20 Nanometer breiten Frequenzbereich passieren, mit einer Abweichung der Wellenlänge von weniger als ± 0,25 Prozent über die Filterfläche. Zugleich blockieren sie alle höheren und niedrigeren Frequenzen vom nahen Infrarot bis zum Ultraviolett (T < 10–5).

Erreicht wurde dies durch eine Kombination farbiger Filtergläser und optischer Interferenzfilter aus bis zu 200 dünnen Schichten. Um die große Zahl der dabei geforderten, exzellenten optischen und mechanischen Eigenschaften sicherzustellen, bot SCHOTT teils einzigartige Kompetenzen auf. So brachte das deutsche Stammwerk in Mainz seine langjährige Erfahrung in der Glascharakterisierung und -auswahl ein, das Werk in Yverdon, Schweiz, sein Know-how in der Berechnung und Herstellung von Interferenzfiltern. „Für eine chargenbezogene Fertigung haben wir Beschichtungsdesign, Glasmaterial und Herstellungsprozess exakt aufeinander abgestimmt”, erläutert Dr. Ulf Brauneck, führender Wissenschaftler für Coatings und Coated Components in Yverdon.
Galaktische Mission - SCHOTT entwickelte für das Astroprojekt eine spezielle Messtechnik
Aufgrund der sehr anspruchsvollen Spezifikationen entwickelte SCHOTT für das Astroprojekt eine spezielle Messtechnik. Foto: SCHOTT
Im JAST/T80-Teleskop kommen 12 unterschiedliche optische Filtergläser zum Einsatz
Im JAST/T80-Teleskop kommen 12 unterschiedliche optische Filtergläser zum Einsatz, im größeren JAST/T250 sogar 70 verschiedene steilkantige und schmalbandige Filter. Foto: Cefca

Eigens entwickelte Messtechnik

Um die anspruchsvollen Spezifikationen garantieren und nachprüfen zu können, -ließ SCHOTT ein spezielles Messgerät entwickeln. Es handelt sich hierbei um einen angepassten Breitband-(Weißlicht)-Shack-Hartmann-Wellenfront-Sensor. Damit ist es möglich, Wellenfrontabweichungen nicht nur bei Standardwerten von 633 Nanometern zu messen, wo die Astrofilter das Licht blockieren, sondern bei jeder beliebigen Wellenlänge von UV bis NIR. So ließ sich eine Wellenfrontabweichung von λ/14 über die gesamte Filterfläche von 106 mal 106 Millimeter ermitteln – deutlich besser als die verlangten λ/2.

Entwickelt wurde auch eine Messvorrichtung, mit der sich der Brechungsindex der Filtergläser über ihr Reflexionsverhalten bestimmen lässt. Die genaue Kenntnis des Index ist wichtig, weil die acht Millimeter dicken Filter im Strahlengang des Teleskops liegen und dessen Abbildungseigenschaften beeinflussen. Standardmessmethoden halfen jedoch auch hier nicht weiter. „Unterm Strich konnten wir bis ins Detail beweisen, dass wir Filter nicht nur präzise produzieren, sondern in jeder Hinsicht exakt vermessen können. Unsere Kunden dürfen somit vollstes Vertrauen haben, dass wir auch anspruchsvollste Vorgaben nachweisbar erfüllen“, resümiert Dr.-Ing. Ralf Biertümpfel, Produktmanager Filter bei SCHOTT Advanced Optics.



27. März 2018

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Oliver Hart
Advanced Optics, SCHOTT AG

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