The Focal Reducing Imager and Spectrograph FORS, built for the optical 16-metre ‘Very Large Telescope’ of the European Southern Observatory
Der Fokal-Reduktor und Spektrograph FORS, entwickelt für das optische 16-meter ‘Very Large Telescope’ des Europäischen Süd-Observatoriums
by Harald Nicklas
Date of Examination:2005-07-04
Date of issue:2006-01-02
Advisor:Prof. Dr. Klaus J. Fricke
Referee:Prof. Dr. Klaus J. Fricke
Referee:Prof. Dr. Ralf Bender
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
This thesis describes the opto- and electro-mechanical concept of a modern astronomical spectrograph with imaging capabilities as it is realized in the ultraviolet-visual FOcal Reducer low dispersion Spectrograph - FORS. The focal reducing optics reimages the telescopic focal plane onto the CCD detector with a demagnification that is required to match the detector`s pixel size with the natural stellar seeing disk. This focal reducer is converted from an imaging photometer into a spectrometer by inserting dispersive optical elements between collimator and camera optics into the parallel beam.FORS became the very first instrument at the optical 16-m 'Very Large Telescope' of the European Southern Observatory. The four 8-m telescopes of the VLT have turned meanwhile into a world-class observatory on the 2600m high Paranal mountain in the coastal range of Northern Chile. The FORS imager and spectrograph is realized in two copies FORS1 and -2 for the Cassegrain foci of the VLT unit telescopes Antu (UT1) and Kueyen (UT2) which offer the deepest look from earth into space due to its optics layout, the focus position in lack of a prime focus and the supreme site conditions.The FORS imager and spectrographs are multi-mode instruments offering up to ten different observing modes in numerous configurations. Direct imaging as well as spectroscopy are the prime modes. Additionally, the FORS instruments - located at the Cassegrain foci - offer the only opportunity at the VLT for linear and circular polarimetry as well as spectro-polarimetry. Due to the multi-purpose observational applications and functions, the imager and spectrographs have become a 3m large instrument of 2tonnes. Their position at the Cassegrain focus requires special solutions in structural stiffness due to the slew range and aspect angle change in the gravitational field during tracking on celestial objects.The thesis will give the scientific rationale for building such instruments. It describes the conceptual design in order to solve the specific problems of this kind of imager and spectrograph. It covers the construction, realization and the results of testing thoroughly the instrument mechanics. Those were performed with the aid of a telescope and star simulator and later confirmed through its performance at the real telescope.The thesis addresses as well the scientific aims and programmes that followed the 1st Scientific Light of the ESO-VLT in the night of September 15th, 1998. One science programme, called the FORS DEEP FIELD, became common to all three partner institutions of the 'VLT Instrument Consortium'. The program was performed during the 'Guaranteed Observing Time' period to get answers on the tantalizing question; how the universe looked like when it was still very young during the period of galaxy formation, which probably could be answered at least partially by the combination of the new powerful telescopes with high-performance instruments. Both machines appeared adequate in performing such a programme by taking very deep images and follow-up spectrograms.FORS also stands for an ambitious project, performed by a consortium of three astronomical institutes in Germany, namely the University Observatories of Göttingen and München and the State Observatory Heidelberg. Building the workhorse for the new astronomical observatory of the European Astronomical Community put a heavy load of responsibility onto the consortium. The enormous effort in designing, constructing, testing and installing the two copies at the VLT amounts to about 180 man-years, equivalent to about 12 Million EURO including all the hardware costs.
Keywords: Focal Reducer; Spectrograph; Flexure Compensation; FORS Deep Field
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Diese Dissertation beschreibt das opto- und elektro-mechanische Konzept eines modernen astronomischen Spektrographen mit Möglichkeiten zur direkten Abbildung, wie er mit dem im ultraviolett-visuell arbeitenden und brennweitenverkürzenden Spektrographen FORS realisiert wurde. Die Optik dieses Fokal Reduktors bildet die Brennebene des Teleskops mit einer Vergrößerung auf den CCD Detektor ab, die erforderlich ist, um das naturgegebene Sternscheibchen den Auflösungselementen des Detektor anzupassen. Der Fokal Reduktor läßt sich mittels Einsetzen optisch dispersiver Elemente in den zwischen Kollimator- und Kameraoptik parallelen Strahlengang von einem abbildenden Photometer in ein Spektrometer umschalten.Der FORS Spektrograph war das Instrument der ersten Stunde am optischen 16-Meter 'Very Large Telescope' (VLT) des Europäischen Süd-Observatoriums (ESO). Mittlerweile haben sich die vier 8-Meter Teleskope des VLT auf dem 2600m hohen Paranal im Küstengebirge Nord-Chiles in ein Observatorium von Weltklasse gewandelt. Der abbildende Spektrograph wurde in zweifacher Ausfertigung, FORS1 und -2, für die Cassegrain Foki der Teleskop-Einheiten Antu (UT1) und Kueyen (UT2) hergestellt. Wegen ihrer optischen Auslegung, ihrer optimalen Brennpunktslage (in Abwesenheit eines Primärfokus) und der außergewöhlich guten Bedingungen des Teleskopstandortes erlaubt deren Kombination vom Erdboden aus tiefste Einblicke in das Universum.Die beiden FORS Spektrographen geben aufgrund ihrer zahlreichen Konfigurationsmöglichkeiten dem Beobachter bis zu zehn unterschiedliche Beobachtungs-Moden an die Hand. Direkte Abbildung und Spektroskopie bilden hierbei die primären Moden. Zudem bieten die FORS Instrumente wegen ihrer Montage am Cassegrain-Brennpunkt einzig die Möglichkeit zu linearer und zirkularer Polarimetrie sowie Spektro-Polarimetrie am VLT. Wegen ihres vielseitigen Funktionsumfangs wurden aus den Spektrographen 3 Meter große und 2 Tonnen schwere Instrumente. Deren Montage am Cassegrain Fokus erfordert spezielle Lösungen in der strukturellen Steifigkeit, da sich Lage und Orientierung während der Nachführung am Himmel ständig ändern.Die Arbeit führt die wissenschaftlichen Gründe zum Bau solcher Instrumente auf und beschreibt das konzeptionelle Design, das die spezifischen Probleme dieser Art von abbildendem Spektrographen löst. Sie behandelt die Konstruktion, Realisation und die Ergebnisse intensiven Testens der Instrumentenmechanik. Letztere wurden eigens mit Hilfe eines Teleskop- und Sternsimulators durchgeführt und später in der Realität am Teleskop in ihrer Leistungsfähigkeit bestätigt.Die Dissertation spricht die wissenschaftlichen Ziele und Programme an, die dem Moment des 'First scientific Light' des ESO-VLT in der Nacht des 15. September 1998 folgten. Eines dieser wissenschaftlichen Programme, mit Namen FORS Deep Field, wurde zu einem gemeinsamen Projekt aller drei Institute des VLT-Instrumenten-Konsortiums. Das Programm wurde in der sog. 'garantierten Beobachtungszeit' durchgeführt, um unter anderem die äußerst spannende Frage zu beantworten: Wie sah das Universum, als es während der Epoche der Galaxienentstehung noch sehr jung war, aus? Eine Frage, die mit großer Wahrscheinlichkeit durch die Kombination neuer leistungsstarker Teleskope und entsprechender Instrumentierung gänzlich oder doch zumindest teilweise beantwortet werden kann. Beide Geräte, das VLT in Verbindung mit FORS, erschienen angemessen, um solch ein Programm mit extrem tiefen Aufnahmen und nachfolgender spektroskopischer Untersuchung durchzuführen.Darüberhinaus steht der Name FORS für ein äußerst anspruchsvolles Projekt, das von einem Konsortium, gebildet von drei astronomischen Universitätsinstituten in Deutschland, namentlich den Sternwarten Göttingen und München und der Landessternwarte Heidelberg, durchgeführt wurde. Der Auftrag, die Arbeitspferde für das neu zu errichtende astronomische Großobservatorium der Europäer zu bauen, übertrug ein hohes Maß an Verantwortung auf das Konsortium. Der enorme Arbeitsaufwand in Entwurf, Konstruktion, Test und Installation der zwei Instrumente am VLT verschlang insgesamt rund 180 Mann-Jahre, equivalent zu 12 Millionen EURO inklusive sämtlicher Herstellungskosten.
Schlagwörter: Fokal-Reduktor; Spektrograph; Durchbiegekompensation; FORS Deep Field