CUBES - ein UV-optimierter Spektrograph für das VLT

Abstract

Das Vorhaben, einen UV-Spektrographen für das VLT zu bauen, geht zurück auf eine Phase A-Studie des CUBES-Konzepts, die im Jahr 2012 von ESO gemeinsam mit den brasilianischen Institutionen IAG/USP und LNA/MCTIC durchgeführt wurde. Diese Studie behandelte einen Spektrographen, der im „erdgebundenen UV“-Bereich (300-400nm) arbeiten und interessante neue Möglichkeiten im Vergleich zu den (damals) geplanten Instrumenten für das Paranal-Observatorium eröffnen sollte. Auch in der ELT-Ära wird das VLT für die vorhersehbare Zukunft im blauen und ultravioletten Wellenlängenbereich kompetitiv bleiben. Hocheffiziente (>20%) Spektroskopie im erdgebundenen UV-Bereich mit mittlerer Auflösung (R~20,000) ist notwendig, um einen ganze Reihe von hochinteressanten wissenschaftlichen Fragestellungen anzugehen. Diese umfassen die chemische Evolution der Milchstraße und die Produktion schwerer Elemente in metallarmen Sternen, die Suche nach Wasser im Asteroidengürtel und Untersuchungen des intergalaktischen Mediums bei hoher Rotverschiebung. Die Planung und Auslegung von CUBES (Cassegrain U-Band Efficient Spectrograph) basiert auf der Erwartung einer hohen Nachfrage seitens der ESO-Community nach einem Instrument, das diesen an diagnostischen Linien reichen Wellenlängenbereich besser zugänglich macht. Mit optimierter Optik, hocheffizienten Spektralgittern und UV-empfindlichen Detektoren wird CUBES einen signifikanten Gewinn an Empfindlichkeit gegenüber existierenden bodengebundenen Spektrographen im Wellenlängenbereich 300-400 nm mit sich bringen. Im ersten Halbjahr 2020 durchlief die Planung für CUBES wesentliche Schritte von einem losen Vorhaben zu einem formalen Projekt innerhalb des Instrumentierungsplans der ESO. Am Beginn stand im Januar 2020 der „Call for Proposals“ der ESO für eine Phase A-Studie für einen UV-Spektrographen für das VLT. Der vom neuen CUBES-Konsortium eingereichte Vorschlag wurde im Mai 2020 von der ESO ausgewählt. Die Projektführung liegt nun bei INAF (Italien; PI zunächst S. Cristiani, seit September 2022 S. Covino), mit Partnern in Deutschland (LSW), Großbritannien (UK ATC), Brasilien und Polen. Die LSW verantwortet hierbei Arbeitspakete zur Optik und Mechanik, außerdem ist sie am Arbeitspaket zur Steuersoftware beteiligt. In Zusammenarbeit mit UK ATC wurde das optische Designkonzept für CUBES weiterentwikkelt und mehrfach mit dem Mechanik-Arbeitspaket iteriert, um eine möglichst hohe optische Effizienz zu erreichen und Vorgaben für den einzuhaltenden Bauraum sowie Masse und Drehmoment einzuhalten. Als Schlüssel erwies sich hierbei eine geschickte Faltung des Strahlengangs, die eine kompakte Bauweise ermöglicht. Das konzeptionelle optische Design wurde anschließend optimiert und mit dem WP Mechanik iteriert. Besondere Beachtung fand die Optimierung der Antireflex- und Spiegelbeschichtungen. Diesen kommt aufgrund der Zielsetzung für CUBES, eine sehr hohe Effizienz im UV-Bereich zu erreichen, eine herausragende Bedeutung zu. Basierend auf dem optischen Design für CUBES wurde ein mechanisches Konzept erarbeitet, um den Spektrographen in einer möglichst stabilen Konfiguration am Teleskop anzubringen. Da CUBES für ein Cassegrain-Instrument einen großen Strahldurchmesser besitzt, wurde hier besonders darauf geachtet, die Gewichtsspezifikationen der ESO (< 2.5 t), sowie das zur Verfügung stehende Volumen am Teleskop einzuhalten. Da CUBES dem Einfluß der Gravitation aus verschiedensten Richtungen unterliegt, ist es von besonderer Bedeutung, daß die mechanische Durchbiegung minimiert wird. Die optische Bank soll daher aus leichtem, aber steifem Carbonfaser-verstärktem Kunststoff gefertigt werden, und auch die übrigen Komponenten wurden in Leichtbauweise konstruiert. Darüber hinaus wurde ein Konzept zur aktiven Kompensation der Durchbiegung des Instruments erarbeitet. Es basiert auf regelmäßigen Aufnahmen des Spektrums einer ThAr-Lampe zur Messung der Durchbiegung und einer simultanen Kompensation durch den Kollimator des Spektrographen, der als aktives Stellelement dient. Um die Tragfähigkeit dieses Konzeptes zu erproben, wurde ein Prototyp des aktiven Stellelements gebaut. Die Software-Gruppe an der Landessternwarte ist für die Entwicklung der Beobachtungs- und Kalibrationssequenzen sowie der Wartungsprozeduren, mit denen einzelne Komponenten des Systems regelmäßig auf ihre Stabilität und Zuverlässigkeit überprüft werden, verantwortlich. Datei-Upload durch TIB