Armee von Robotern erweitert die Grenzen der Astrophysik

Tausend neu entwickelte Mikroroboter aus den Labors der EPFL werden bald in zwei Grossteleskopen in Chile und den USA eingesetzt. Diese Hochpräzisionsinstrumente, die in der Lage sind, optische Fasern bis auf ein Mikrometer genau zu positionieren, werden die anfallende Menge der Astrophysikdaten enorm erhöhen – und unser Verständnis des Universums erweitern.

Sarah Perrin 05.03.2021

Das Universum dehnt sich aus, aber es gibt noch vieles, was wir nicht wissen. Wie schnell dehnt es sich aus? Warum beschleunigt sich der Prozess und stösst verschiedene Himmelsobjekte voneinander weg, wenn die Schwerkraft sie doch eigentlich zusammenziehen sollte? Welche Rolle spielen die dunkle Materie und die dunkle Energie? Fragen wie diese, die für die aktuelle Astrophysikforschung von zentraler Bedeutung sind, könnten dank einer Flotte von Mikrorobotern, die von der EPFL entwickelt wurden, bald Antworten finden.

Von diesen von EPFL-Wissenschaftlerinnen entwickelten Mikrorobotern wird erwartet, dass sie die Menge und Qualität der anfallenden Astrophysik-Daten sprunghaft erhöhen und so unser Wissen erweitern. Es handelt sich um eine Sammlung von 1000 winzigen Robotern, die kürzlich hergestellt und an die Ohio State University geliefert wurde. Mit der Zeit werden sie an zwei Teleskopen – dem Irénée-du-Pont-Teleskop am Las-Campanas-Observatorium der Carnegie Institution for Science in Chile und dem Sloan-Foundation-Teleskop am Apache-Point-Observatorium in New Mexico – angebracht werden, die Teil des internationalen Sloan Digital Sky Survey (SDSS) sind. Die EPFL spielt eine aktive Rolle bei der SDSS (siehe unseren Artikel vom Juli 2020).

Die Roboter werden eingesetzt, um die Positionierung von Hunderten von optischen Fasern zu automatisieren, die dazu dienen, die Teleskope auf Objekte im Weltraum zu richten. Die primären Ziele werden Sterne in unserer eigenen Galaxie, der Milchstrasse, sein. Durch die Messung der Leuchtkraft der Sterne können die Forschenden die «Rotverschiebung» (d.h. die Zunahme der emittierten Lichtwellenlänge) von nahegelegenen Galaxien, die Schwarze Löcher beherbergen oder Teil von Haufen sind, berechnen und bestimmen, wie weit sie entfernt sind. Diese Messungen werden helfen, die 3D Karte der SDSS von den Sternen und Galaxien des Universums zu vervollständigen.

Eine mühsame Aufgabe

Bis jetzt wurden die optischen Fasern in den SDSS-Teleskopen von Hand positioniert – eine langwierige, mühsame Aufgabe, die extreme Präzision erfordert. Damit das Teleskop in der Lage ist, Himmelsobjekte zu beobachten, müssen Hunderte von Fasern in Löcher gesetzt werden, die in einer massiven Aluminiumplatte eingelassen sind. Dabei gibt es keinen Spielraum für Fehler: Jede Faser muss auf ein Mikrometer genau positioniert werden, um sicherzustellen, dass das Bild perfekt fokussiert ist.

Bei der derzeitigen Methode dauert es einen Monat, um die Zielsterne auszuwählen und die Platten zu entwerfen, herzustellen und zu bohren, die dann zur Sternwarte geschickt werden. Dann braucht ein erfahrenes Paar Hände 45 Minuten, um die tausend Fasern korrekt zu positionieren. In Beobachtungsnächten werden zudem zwanzig Minuten für den Plattenwechsel benötigt, in denen das Teleskop offline ist. «Die Schweizer Roboter beschleunigen diesen Prozess um Grössenordnungen und eröffnen damit die Möglichkeit einer gross angelegten spektroskopischen Erkundung im Zeitbereich», freut sich Juna Kollmeier, Direktorin des SDSS-V Projekts.

Die Positionierroboter werden voraussichtlich in diesem Herbst am Sloan-Teleskop und Anfang nächsten Jahres in Chile einsatzbereit sein.

Verdoppelung und Verdreifachung der Anzahl der beobachteten Sterne

«Neben einem enormen Gewinn an Flexibilität und Genauigkeit hoffen wir auch, die Anzahl der Objekte, die wir beobachten können, deutlich zu erhöhen», sagt Mohamed Bouri, Leiter der EPFL-Gruppe Rehabilitation and Assistive Robotics und der Wissenschaftler, der für die Entwicklung und Inbetriebnahme der Roboter verantwortlich ist: «Dadurch können wir die Beobachtungszeiten verkürzen und die Anzahl der Sterne und Galaxien verdoppeln oder verdreifachen, die wir anvisieren. Wir werden auch in der Lage sein, mit Hilfe der Spektroskopie Elemente des variablen Universums zu beobachten, wie zum Beispiel explodierende Sterne», sagt Jean-Paul Kneib, Leiter des Labors für Astrophysik (LASTRO) der EPFL.

Angeführt wird diese Initiative von der Astrobots-Gruppe der EPFL, die sich zum Ziel gesetzt hat, Synergien zwischen den Bereichen Astrophysik und Robotik zu fördern. Seit 2013 entwickelt diese disziplinübergreifende Gruppe Robotersysteme, um astronomische Beobachtungen effizienter zu machen. Bis Ende 2019 hat die Gruppe in enger Zusammenarbeit mit der University of Michigan und der University of Berkeley bereits geholfen, 5000 Roboter für das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) zu bauen, das dunkle Energie besser verstehen soll.

Es gibt wenig Zweifel daran, dass das DESI und die SDSS den Horizont von Astronominnen und Astrophysikerinnen gleichermassen erweitern werden, was in den kommenden Jahren zu einer reichhaltigeren und detaillierteren Karte des Universums führen wird. Aber das ist erst der Anfang: Die EPFL-Forschenden arbeiten bereits fleissig an einer neuen Generation von kleineren, ebenso robusten Mikrorobotern.