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Astronomie - Einblicke in das Deutsche SOFIA Institut in Stuttgart

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Kompetenzzentrum für Infrarotastronomie -
Deutsches Betriebszentrum des SOFIA Observatoriums
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Im November 2004 ist das Deutsche SOFIA Institut (DSI) an der Universität Stuttgart gegründet worden und befindet sich am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS). In den nächsten Jahren wird hier das deutsche Kompetenzzentrum für Infrarotastronomie entstehen. Zusätzlich koordiniert das DSI im Auftrag des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) die Fertigstellung des Infrarotobservatoriums SOFIA und den späteren Betrieb. Im Rahmen der wissenschaftlichen Beobachtungen wird das DSI die deutschen Astronomen sowie die German SOFIA Science Working Group (GSSWG) fachlich kompetent bei der Nutzung des SOFIA Observatoriums unterstützen. Um einen reibungslosen Teleskopbetrieb zu ermöglichen, werden während der wissenschaftlichen Betriebsphase von SOFIA bis zu 15 Mitarbeiter ständig beim amerikanischen Betriebszentrum vor Ort sein. Das DSI organisiert von deutscher Seite aus die wissenschaftliche Nutzung und koordiniert den Betrieb des SOFIA-Projekts. Hierbei erstrecken sich seine Aufgaben auf folgende Bereiche:
Aufbau des deutschen Kompetenzzentrums für Infrarotastronomie
Koordination des wissenschaftlichen Programms
Unterstützung der GSSWG und der deutschen Instrumententeams
Unterstützung der deutschen Wissenschaftler bei der Benutzung des SOFIA Observatoriums
Unterstützung der deutschen SOFIA Intrumententeams
Bewertungsverfahren der eingereichten SOFIA Beobachtungsanträge
Mitarbeit bei der Erstellung des Beobachtungszeitplans für SOFIA
Betrieb und Wartung des SOFIA Teleskops
Beistellung von Triebwerken des Flugzeugs
Aufbau und Koordination eines akademischen Austauschprogramms
Öffentlichkeitsarbeit sowie Aufbau und Koordination eines bundesweiten Bildungsprogramms
Aufbau der nötigen Infrastruktur z.B. im Bereich der Personalentsendung Archivierung, des Datentransfers, und der Rechnerunterstützung
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SOFIA, das Stratosphären Observatorium für Infrarot-Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird im Auftrag des DLR mit Mitteln des Bundes (BMWi), des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die deutschen Instrumente von SOFIA werden durch die Max-Planck Gesellschaft, die Deutsche Forschungsgesellschaft und die Universität Köln finanziert. Das Deutsche SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert den wissenschaftliche Betrieb auf deutscher Seite, auf amerikanischer Seite wird er von dem NASA Ames Research Center (ARC) und der Universities Space Research Association (USRA) durchgeführt. Das gesamte Projekt wird zu 80% von der NASA und zu 20% von dem DLR finanziert; dies betrifft sowohl den Bau des Observatoriums als auch den 20-jährigen Betrieb. Der deutsche Beitrag zum Bau umfasst das Teleskop mit seinem 2,7 m durchmessendem Hauptspiegel. Das DLR hat das Deutsche SOFIA Institut (DSI) an die Universität Stuttgart im November 2004 beauftragt die Fertigstellung des SOFIA Observatoriums und später dessen Betrieb und wissenschaftliche Nutzung zu koordinieren. Das DSI vertritt außerdem die Interessen der deutschen Astronomen im Projekt, unterstützt die deutschen Wissenschaftler bei dem Bau deutscher Instrumente und steht in ständigem Kontakt mit der German SOFIA Science Working Group (GSSWG).
Der amerikanische Partner ist für die Modifikation des ehemaligen Langstrecken - Flugzeugs, den Einbau des Teleskops und den Test des Observatoriums verantwortlich. Die Flugtests und der Flugbetrieb werden unter Federführung des NASA Dryden Flight Research Center (DFRC) nördlich von Los Angeles dürchgeführt. Das NASA Ames Research Center ( ARC) südlich von San Francisco wird die wissenschaftliche Nutzung und später die astronomischen Beobachtungesflüge vorbereiten und durchführen.
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Bei der Erfüllung der Aufgaben des DSI sind verschiedene Partnern beteiligt:
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Institute der Universität Stuttgart:
Die folgenden sechs Institute der Fakultät "Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie" der Universität Stuttgart bringen ihr kompetentes Fachwissen ins SOFIA Projekt ein:
Institut für Flugmechanik und Flugzeugregelung (IFR)
Institut für Flugzeugbau (IFB)
Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG)
Institut für Luftfahrtsysteme (ILS)
Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen (ISD)
Institut für Luftfahrtantriebe (ILA)
Steinbeis - Transferzentrum Raumfahrt (TZR):
Das TZR implementiert für das DSI das Datenmanagement für die Planungsdatenbank und den sicheren Datenaustausch zwischen USRA, NASA sowie den anderen SOFIA Projektpartnern. Es unterstützt außerdem das DSI im Hinblick auf einen möglichen Technologietransfer von und zur Industrie.
Flughafen Stuttgart GmbH:
Ein- bis zweimal im Jahr wird SOFIA in Stuttgart landen. Der Flughafen Stuttgart stellt hierbei die nötigen Start- und Landemöglichkeiten zur Verfügung und ermöglicht verschiedenen Forschergruppen und der Öffentlichkeit den Zugang zum Observatorium.
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Neuer Focal Plane Imager meistert Generalprobe mit Bravour

Am 12. und 14. Februar 2013 ist der neue Focal Plane Imager (FPI) des DSI an Bord von SOFIA erfolgreich getestet worden.  Projektleiter Jürgen Wolf hatte zuvor mit seinen Kollegen Enrico Pfüller und Manuel Wiedemann die entscheidenden Verbesserungen vorgenommen und unter anderem eine empfindlichere, schnellere Kamera samt angepasster Steuerungseinheit sowie ein neues Filterrad installiert. Beim Einbau der neuen Kamera und der Anpassung des SOFIA Teleskopsystems, z.B. bei der Einführung neuer, kameraspezifischer Kommandos, hat das DSI Team in Palmdale (Kalifornien), allen voran Holger Jakob und Marco Lentini, Wolf und sein Team tatkräftig unterstützt. Auch die System- und Softwarespezialisten der deutschen Firmen Kayser-Threde, 4D Engineering und Stock Flight Systems haben dem DSI Team professionell zur Seite gestanden.

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Bild 1: Der FPI am SOFIA Teleskop (links) und das neue Filterrad (rechts) für den Sloan-Filtersatz (u‘,g‘,r‘,i‘,z‘). Im unteren Drehkörper befinden sich Abschwächungsfilter verschiedener Stärken, die bei der Nachführung an hellen Sternen benötigt werden.

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Der FPI ist ein echtes Multifunktionsgerät und hat insgesamt drei Aufgaben:
Zusammen mit dem Wide Field Imager (WFI) und dem Fine Field Imager (FFI) dient er als Sucher- und Leitkamera des SOFIA - Teleskops. Dazu muss er empfindlich sein und über eine gute räumliche Auflösung verfügen, um auch mit schwachen Sternen (V ≤ 16 mag) oder in überfüllten Sternenfeldern das SOFIA Teleskop leiten zu können.
Als schnelle Diagnosekamera soll er die Ausrichtgenauigkeit und Stabilität des gesamten Teleskopsystems testen, die unter anderem durch hoch-frequente Störmechanismen wie Flugzeugvibrationen oder Windlasten im Flug verursacht werden. Dazu ist die Kamera schnell und kann kleinere Bildausschnitte 400 Mal pro Sekunde auslesen.
Der FPI ist hervorragend für spezielle wissenschaftliche Beobachtungen geeignet, bei denen ein Detektor mit hoher Empfindlichkeit, guter räumlicher Auflösung und hoher Auslesegeschwindigkeit benötigt wird.
Am 12. Februar hob SOFIA um 21:43 Uhr Ortzeit von der Dryden Aircraft Operation Facility (DAOF) zum ersten Testflug des FPI ab. Etwa sieben Stunden später konnte sich „Kamera Operator“ Enrico Pfüller entspannt zurücklehnen: Seine Arbeit war getan und die wesentlichen Testpunkte konnten erfolgreich abgeschlossen werden. Nach ersten Analysen der Daten bestätigt Datenanalyst Manuel Wiedemann, dass das SOFIA Teleskop erfolgreich auf dem Stern SA 104-338 mit der Helligkeit V = 16,06 mag nachgeführt werden konnte und der FPI sämtliche Anforderungen des Observatoriums erfüllt.
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Bild 2: Das Feld um den Stern SA 104-338 der Helligkeit V = 16,06 mag. Links - produziert mit Stellarium (Planetariumsprogramm). Rechts - aufgenommen mit dem FPI ohne Filter und bei einer Belichtungszeit von zwei Sekunden. Der Durchmesser des FPI Gesichtsfeldes beträgt 8,5 Bogenminuten.
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In der Nacht vom 14. Auf den 15. Februar wurde dann die Eignung für die geplanten wissenschaftlichen Einsätze überprüft und auch hier kann das FPI Team einen Erfolg vermelden: In den drei Farbfiltern g‘, r‘ und i‘ konnte das Trapez im Orionnebel in je nur fünf Millisekunden (5/1000 Sekunden) ausreichend tief für eine erste astronomische Analyse belichtet werden: Ein Großteil der rot dargestellten Objekte sind junge Sterne, die  im nahen Infraroten (i‘ Filter)  mit dem FPI nachgewiesen werden können,  im Optischen jedoch hinter den Staubstrukturen unsichtbar bleiben. „Der FPI hat seine Generalprobe mit Bravour bestanden“, freut sich Jürgen Wolf. „Jetzt sind wir bereit für unsere Messungen!“
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Bild 3: Links - das Sternbild Orion mit TheSky6. Mitte - 3 Farbenbild (R,G,B) von M42 (© Gerald Willems, AVL). Rechts - 3 Farbenbild vom Trapez/M42 mit dem neuen FPI. Belichtungszeit pro Filter 5/1000 Sekunden.
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Als Leitkamera wird der FPI permanent bei allen astronomischen Beobachtungen am SOFIA Teleskop angebracht sein. Die ersten wissenschaftlichen Einsätze stehen bereits Ende April und Anfang Mai im Rahmen der Beobachtungen einer Plutobedeckung und den Durchgängen von Exoplaneten an. Bei diesen kurzzeitigen und lichtschwachen Ereignissen wird die volle Leistungsfähigkeit des FPI gefragt sein.
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Sternentstehung nahe des Galaktischen Zentrums
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US Astronomen haben mit SOFIA neue Infrarot -Aufnahmen des Milchstraßenzentrums gewonnen und dabei einen Ring aus Staub und Gas untersucht, der einen Durchmesser von etwa sieben  Lichtjahren besitzt und das supermassive schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie umgibt. Außerdem haben sie einen benachbarten, im optischen Licht von Staub verhüllten, Haufen extrem leuchtstarker und junger Sterne  beobachtet.
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Diese Objekte sind vermutlich durch heftige Sternentstehungsphasen im Zentralbereich der Milchstraße entstanden, die vor einigen Millionen Jahren stattgefunden haben. Mit dem SOFIA Instrument FORCAST konnten nun die bislang schärfsten Bilder dieser Regionen bei Wellenlängen von 20, 32 und 37 Mikrometern aufgenommen und analysiert werden. Mit diesen neuen Daten ist eine genauere Untersuchung  der physikalischen Bedingungen in der Nähe unseres Milchstraßenzentrums möglich. Auch der tatsächlichen Verbindung zwischen dem schwarzen Loch im Zentrum und den Sternentstehungsgebieten kann mit diesen Daten auf den Grund gegangen werden.
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Objekte

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SOFIA ist in der Lage, Bereiche des Infrarot-Spektrums abzudecken, die den erdgebunden Observatorien bislang verschlossen geblieben sind. Und dies bei einer räumlichen Auflösung, die bisherige IR-Satelliten nie erreichen konnten. Auf dieser Seite erfahren Sie welche Beobachtungsobjekte für SOFIA besonders interessant sind.

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Galaxien
 
Nicht nur die Milliarden Sterne in jeder Galaxie entwickeln sich und haben eine Geschichte, auch die Galaxien selbst durchlaufen verschiedene Entwicklungsstadien und altern. Über die Entwicklung und Bildung von Galaxien - auch unserer eigenen, der Milchstraße - wissen wir vergleichsweise wenig. Bilder aus der Kinderstube der Galaxien sind von größter Bedeutung. Dazu muss man aber in die kosmische Vergangenheit von 10 - 15 Milliarden Jahre zurückschauen. Das Licht dieser Galaxien ist so stark rotverschoben, dass ihre Lichtwellen inzwischen zehnmal länger sind, als zum Zeitpunkt ihrer Abstrahlung. Das Maximum der ohnehin schwachen Strahlung dieser jungen Galaxien liegt nun im Infraroten.
Modellrechnungen zeigen, dass die meisten Galaxien mindestens schon einmal in eine Kollision mit einer anderen Galaxie verwickelt gewesen sein müssen. Bei diesen nahen Vorübergängen oder direkten Zusammenstössen entstehen Schockwellen, Turbulenzen und partielle Aufheizungen der Gasmassen und Staubpartikel. Staubteilchen werden z. B. auf 20 - 60 K aufgeheizt und strahlen dann im Infraroten zwischen 50 und 150 μm. Ein Spektralbereich, in dem SOFIA besonders empfindlich ist und mit hoher Auflösung arbeitet.
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Sternentstehungs-
gebiete
 
Unser Verständnis der Entstehungsprozesse von Sternen kleiner und großer Masse hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Trotzdem sind Fragen offen: Gibt es eine untere oder obere Grenze für die Masse bei der Sternentstehung? Welchen Einfluss haben Strahlungsfelder, Winde und andere Umgebungsbedingungen?
Unglücklicherweise kann man die frühen Stadien der Sternentwicklung bisher nicht vom Boden aus beobachten, weil die typischen Temperaturen von 20K bis 200K mit Infrarotstrahlung zwischen 15 und 150 μm verbunden sind. Die bisherigen Infrarot-Teleskope auf Satelliten hatten eine zu geringe räumliche Auflösung. Ein prädestiniertes Feld für SOFIA!
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Interstellare
Materie
 
Der Raum zwischen den Sternen ist nicht leer, sondern mit sogenannter "interstellarer Materie" angefüllt. Obwohl sie nur einige Prozent der Masse einer Galaxie ausmacht, kann man durch ihre Beobachtung sehr viel über die Entwicklungsgeschichte ihrer Umgebung lernen.Die Temperaturen von wenigen 10 Grad Kelvin erzwingen wiederum eine Beobachtung im nahen und fernen Infraroten. Besonders für die Untersuchung der Kontinuum- und Linienstrahlung im MIR und FIR ist SOFIA prädestiniert. Aus den Linien eines Spektrums kann man eindeutig auf das Vorhandensein verschiedener Spezies von Atomen oder Molekülen schließen. Für diese Aufgabe wird auf SOFIA ein Heterodynspektrometer zum Einsatz kommen.
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Sonnensystem
 
Präsolare Nebel, zirkumstellare Staubhüllen und Staubringe sind die Bausteine eines Sonnensystems und nach heutiger Vorstellung eng mit der Entstehung von Leben verknüpft. Unser Sonnensystem ist offensichtlich der geeignete Ort, um die Bedingungen und Vorgänge zu untersuchen, die zur Entstehung von Planeten und der Entwicklung ihrer Oberflächen und Atmosphären geführt haben und nach Spuren von präbiotischen Molekülen zu suchen. Kometen und Asteroiden stammen aus der Frühzeit unseres Sonnensystems und sind seither unverändert geblieben. Sie sind daher neben den entwickelten Planeten und ihren Satelliten ein ideales Beobachtungsziel, um Informationen über die Ursprünge unseres Sonnensystems zu erhalten.
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Planeten
 
Mit SOFIA's Vorgänger, dem Kuiper Airborne Observatorium, wurde am 10. März 1977 während einer Sternbedeckung durch Uranus ein Ringsystem um diesen Planeten entdeckt. Eine astronomische Sensation: Saturn wurde seiner herausgehobenen Stellung als einziger Planet mit einem Ring beraubt und eine Sternstunde für die Flugzeugastronomie.
Die Planeten sind Spiegelbild der Verhältnisse während der Bildung unseres Sonnensystems. SOFIA kann sowohl die Bestandteile der Atmosphären näher untersuchen als auch - wegen seiner hohen räumlichen Auflösung - die Transportverhältnisse der Atmosphärengase und die Wetterbedingungen. Die Gasriesen sind Spiegelbild der Verhältnisse während der Bildung unseres Sonnensystems. SOFIA kann sowohl die Bestandteile der Atmosphären näher untersuchen als auch die Transportverhältnisse der Atmosphärengase und Wetterbedingungen analysieren.
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Kometen
 
Die Zusammensetzung eines Kometen entspricht dem präsolaren Urnebel, aus dem sich die Sonne und die Planeten gebildet haben. Kommt ein Komet in die Nähe der Sonne, so verdampfen seine Bestandteile, die mehrere Milliarden Jahre unberührt waren. Der Nachweis von Wasser, Kohlendioxid und anderen, organischen Kohlenstoffverbindungen kann nicht vom Erdboden aus erfolgen, da deren charakterische Strahlung im Infraroten liegt und daher von der Erdatmosphäre blockiert wird.
SOFIA kann durch seine Arbeitshöhe und flexible Einsetzmöglichkeit auf beiden Hemisphären Kometen und Asteroiden gut beobachten und untersuchen
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Observatorium

Start der Entwicklungs-Phase: Januar 1997
Beginn des Umbaus in Waco, Texas: Januar 1999
Umbau und Teleskopintergation beendet: Februar 2006
Ground Vibration Test erfolgreich durchgeführt: Juni 2006
Triebwerkstest bis an die Leistungsgrenze August 2006
Neue Lackierung September 2006
Erster Testflug nach dem Umbau April 2007
Erster Flug mit geöffneter Beobachtungsluke 18.12.2009
Geplante Lebensdauer: 20 Jahre
Zahl der Beobachtungsflüge pro Jahr: ca. 160
Teleskop-Plattform: Boeing 747SP Flugzeug 
Rolltür als Teleskopöffnung auf der Backbord-Seite des hinteren Rumpfes
Flughöhe für astronomische Beobachtungen: 12000-14000 m 
(39.000 bis 45.000 ft)
Beobachtungszeit in 39.000 ft oder höher: > 6 Stunden
Gesamtbeobachtungszeit pro Jahr: > 960 Stunden
Umgebungstemperatur im Teleskopraum: 210 bis 330 K
Betriebsmannschaft: 3 Personen im Cockpit 
10-15 Operateure / Techniker / Wissenschaftler / Ausbilder
Heimat Basis:
  • NASA Ames Research Center, Moffett Field, Kalifornien;
    regelmäßige Flüge in der südliche Hemisphäre vom US Stützpunkt in Christchurch, Neuseeland
  • regelmäßige Besuch am Flughafen Stuttgartund anderen deutschen Flughäfen


Teleskop

Baubeginn des Teleskops September 1997
Überführung nach Waco,Texas, wo der Einbau ins Flugzeug durchgeführt wird September 2002
Gewicht des Teleskops 
inkl. wissenschaftlichem Instrument:
ca. 20.000 kg
Konfiguration: Cassegrain-Teleskop mit Nasmyth Fokus, permanenter Zugang zum Wissenschafts-Instrument von der Kabine während der Mission
Struktureller Aufbau: CFRP-Struktur in Hantelform, Spiegeltubus in Gitterbauweise
Rotations Isolations System: hydrostatisches Lager mit 2 Ring-Segmenten, 1.200 mm Durchmesser, 10-30 bar Versorgungsdruck
Antriebssystem für Rotation: Schnellantrieb für Elevation and Feinantrieb (bürstenloser gekrümmter Gleichstrom-Linearmotor) für Elevation, Cross-Elevation and Line-of-sight (L.O.S.)
Vibrations Isolations System: je 12 Luftfeder/Dämpferelemente in Längs- und Tangentialrichtung um das Hydrostatische Lager
Primärspiegel (PM) : Durchmesser 2,70 m, effektive Öffnung 2,50 m, leichtgewichtete ZERODUR Struktur auf 18-Punkt Whiffle-Tree Support, PM Blendenzahl f/1,28, Aluminium-vergütet
Sekundärspiegel (SM) : SiC-Material, 352 mm Durchmesser, Aluminium-vergütet
SM Funktionen: Fokussierung, Alignment, Chopping (2-Achsen in beliebiger Richtung, Offset, 3-Punkt, stationär)
Tertiärspiegel 2 ebene Spiegel, teildurchlässig (Gold-vergütet) und reflektierend (Aluminium-vergütet)
Blendenzahl des Gesamtsystems: f/19,6
Spektralbereich: 0,3 bis 1.600 Mikrometer
Unvignettiertes Gesichtsfeld: 8 arcmin
Bewegungsbereiche: Elevation 15-70 Grad (20-60 Grad unvignettiert), Cross-Elevation und L.O.S. ° 3,0 Grad
Bild-Qualität: 80% Energie in Kreis mit 1,5 arcsec Durchmesser bei 0,6 Mikrometer Wellenlänge
Bild-Stabilität: 0,2 arcsec rms für On-Axis Focal Plane Tracking
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Quelle: SOFIA-Stuttgart
 
 
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