Träume von der Zukunft großer Teleskope; Monster-Weltraumteleskope, die bis 2030 fliegen könnten
Mit der jüngsten Einführung des Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) – die am stattfand Mittwoch, 18. April 2018 – viel Aufmerksamkeit auf die Weltraumteleskope der nächsten Generation gelenkt wurde, die in den kommenden Jahren in den Weltraum fliegen werden. Dazu gehören nicht nur die James Webb Weltraumteleskop , das derzeit für den Start im Jahr 2020 geplant ist, aber auch einige andere fortschrittliche Raumfahrzeuge, die in den 2030er Jahren eingesetzt werden.
Das war das Thema der letzten 2020 Dekadischer Überblick für Astrophysik , was beinhaltet vier Flaggschiff-Missionskonzepte die derzeit studiert werden. Wenn diese Missionen in den Weltraum gehen, werden sie dort ansetzen, wo Missionen wie Hubble , Kepler , Spitzer und Chandra aufgehört, aber mehr Sensibilität und Fähigkeit haben. Daher wird von ihnen erwartet, dass sie viel mehr über unser Universum und die Geheimnisse, die es birgt, preisgeben.
Wie erwartet decken die beim Decadal Survey 2020 eingereichten Missionskonzepte ein breites Spektrum an wissenschaftlichen Zielen ab – von der Beobachtung entfernter Schwarzer Löcher und des frühen Universums über die Untersuchung von Exoplaneten um nahegelegene Sterne bis hin zur Untersuchung der Körper des Sonnensystems. Diese Ideen wurden von der wissenschaftlichen Gemeinschaft gründlich geprüft und vier wurden als lohnenswert ausgewählt.
Künstlerisches Konzept des Weltraumteleskops Large Ultraviolet/Optical/Infrared Surveyor (LUVOIR). Credits: NASA/GSFC
Als Susan Neff, die leitende Wissenschaftlerin der NASA Cosmic Origins-Programm , erklärt in einer kürzlich erschienenen NASA Pressemitteilung :
„Dies ist Spielzeit für Astrophysik. Wir wollen all diese Konzepte entwickeln, haben aber nicht das Budget, um alle vier gleichzeitig zu realisieren. Der Sinn dieser dekadischen Studien besteht darin, den Mitgliedern der Astrophysik-Community die bestmöglichen Informationen zu geben, wenn sie entscheiden, welche Wissenschaft sie zuerst machen möchten.“
Zu den vier ausgewählten Konzepten gehören die Großes Ultraviolett-/Optik-/Infrarot-Vermessungsgerät (LUVOIR), ein riesiges Weltraumobservatorium, das in der Tradition derHubble-Weltraumteleskop. Als eines von zwei Konzepten, die vom Goddard Space Flight Center der NASA untersucht werden, erfordert dieses Missionskonzept ein Weltraumteleskop mit einem massiven segmentierten Hauptspiegel mit einem Durchmesser von etwa 15 Metern (49 Fuß).
Im Vergleich dazu ist das JWST'Der Hauptspiegel (derzeit das fortschrittlichste Weltraumteleskop) misst 6,5 m (21 ft 4 in) im Durchmesser. Ähnlich wie beim JWST würde der Spiegel des LUVOIR aus verstellbaren Segmenten bestehen, die sich entfalten würden, sobald er im Weltraum eingesetzt wurde. Aktuatoren und Motoren würden diese Segmente aktiv anpassen und ausrichten, um den perfekten Fokus zu erzielen und Licht von schwachen und entfernten Objekten einzufangen.
Mit diesen fortschrittlichen Werkzeugen wäre LUVOIR in der Lage, erdgroße Planeten direkt abzubilden und ihre Atmosphären zu beurteilen. Als Studienwissenschaftlerin Aki Roberge erklärt :
„Diese Mission ist ehrgeizig, aber der Preis ist es, herauszufinden, ob es Leben außerhalb des Sonnensystems gibt. Alle Technologie-Talents werden von diesem Ziel angetrieben… Physische Stabilität, plus aktive Kontrolle des Hauptspiegels und ein interner Koronagraph (ein Gerät zum Blockieren des Sternenlichts) führen zu einer Pikometer-Genauigkeit. Es geht nur um Kontrolle.“
Es gibt auch die Origins-Weltraumteleskop (OST), ein weiteres Konzept, das vom Goddard Space Flight Center verfolgt wird. Ähnlich wie die Spitzer Weltraumteleskop und der Weltraumobservatorium Herschel , würde dieses Ferninfrarot-Observatorium eine 10.000-mal höhere Empfindlichkeit bieten als jedes vorherige Ferninfrarot-Teleskop. Zu seinen Zielen gehören die Beobachtung der entlegensten Bereiche des Universums, die Verfolgung des Weges des Wassers durch die Sternen- und Planetenentstehung und die Suche nach Lebenszeichen in der Atmosphäre von Exoplaneten.
Sein Hauptspiegel mit einem Durchmesser von etwa 9 m (30 ft) wäre das erste aktiv gekühlte Teleskop, das seinen Spiegel auf einer Temperatur von etwa 4 K (-269 °C; -452 °F) und seine Detektoren bei eine Temperatur von 0,05 K. Um dies zu erreichen, wird das OST-Team auf fliegende Sonnenblenden, vier Kryokühler und einen mehrstufigen kontinuierlichen adiabatischen Entmagnetisierungskühlschrank (CADR) zurückgreifen.
Künstlerisches Konzept des Origins Space Telescope (OST). Credits: NASA/GSFC
Laut Dave Leisawitz, einem Goddard-Wissenschaftler und OST-Studierenden, ist das OST besonders auf große Arrays supraleitender Detektoren angewiesen, die Millionen von Pixeln messen. „Wenn Leute nach Technologielücken bei der Entwicklung des Origins-Weltraumteleskops fragen, sage ich ihnen, dass die drei größten Herausforderungen Detektoren, Detektoren, Detektoren sind“, sagte er. 'Es dreht sich alles um die Detektoren.'
Insbesondere würde sich das OST auf zwei neue Arten von Detektoren verlassen: Übergangskantensensoren (TESs) oder kinetische Induktivitätsdetektoren (KIDs). Obwohl sie noch relativ neu sind, reifen TES-Detektoren schnell heran und werden derzeit im HAWC+-Instrument an Bord der NASA verwendet Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (SOFIA).
Dann gibt es die Bewohnbarer Exoplanet-Imager (HabEx), das vom Jet Propulsion Laboratory der NASA entwickelt wird. Wie LUVOIR würde auch dieses Teleskop Planetensysteme direkt abbilden, um die Zusammensetzung der Atmosphären der Planeten mit einem großen segmentierten Spiegel zu analysieren. Darüber hinaus würde es die frühesten Epochen in der Geschichte des Universums und den Lebenszyklus der massereichsten Sterne untersuchen und so Aufschluss darüber geben, wie die für das Leben notwendigen Elemente gebildet werden.
Ebenso wie LUVOIR wäre HabEx in der Lage, Studien im ultravioletten, optischen und nahinfraroten Wellenlängenbereich durchzuführen und die Helligkeit eines Muttersterns zu blockieren, sodass er sehen könnte, wie Licht von allen ihn umkreisenden Planeten reflektiert wird. Als Neil Zimmerman, ein NASA-Experte auf dem Gebiet der Koronographie, erklärt :
„Um einen Planeten direkt abzubilden, der einen nahen Stern umkreist, müssen wir eine enorme Barriere im Dynamikbereich überwinden: die überwältigende Helligkeit des Sterns gegenüber der schwachen Reflexion des Sternenlichts vom Planeten, wobei nur ein winziger Winkel die beiden trennt. Für dieses Problem gibt es keine Standardlösung, weil es so anders ist als jede andere Herausforderung in der beobachtenden Astronomie.“
Künstlerische Darstellung des Weltraumteleskops Habitable Exoplanet Imager (HabEx). Credits: NASA/JPL
Um dieser Herausforderung zu begegnen, erwägt das HabEx-Team zwei Ansätze, darunter externe blütenblattförmige Sternschirme, die das Licht blockieren, und interne Koronagraphen, die verhindern, dass Sternenlicht die Detektoren erreicht. Eine andere Möglichkeit, die untersucht wird, besteht darin, Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf die koronagraphischen Masken aufzubringen, um die Muster von gebeugtem Licht, das noch durchdringt, zu modifizieren.
Zu guter Letzt ist die Röntgenvermesserbekannt alsLuchs wird vom Marshall Space Flight Center entwickelt. Von den vier Weltraumteleskopen ist Lynx das einzige Konzept, das das Universum in Röntgenstrahlen untersuchen wird. Mit einem Röntgen-Mikrokalorimeter-Bildgebungsspektrometer erkennt dieses Weltraumteleskop Röntgenstrahlen, die von Supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) im Zentrum der frühesten Galaxien im Universum.
Diese Technik besteht darin, dass Röntgenfotos auf die Absätze eines Detektors treffen und ihre Energie in Wärme umwandeln, die von einem Thermometer gemessen wird. Auf diese Weise wird Lynx Astronomen helfen, herauszufinden, wie sich die frühesten SMBHs gebildet haben. Als Rob Petre, Mitglied der Lynx-Studie bei Goddard, beschrieben die Mission:
„Supermassive Schwarze Löcher wurden viel früher im Universum beobachtet, als unsere aktuellen Theorien vorhersagen. Wir verstehen nicht, wie sich solche massiven Objekte so kurz nach der Zeit, als sich die ersten Sterne hätten bilden können, gebildet haben. Wir brauchen ein Röntgenteleskop, um die allerersten supermassereichen Schwarzen Löcher zu sehen, um Theorien darüber zu liefern, wie sie entstanden sein könnten.“
Künstlerische Darstellung des Weltraumteleskops X-ray Surveyor (Lynx). Credits: NASA/MSFC
Unabhängig davon, welche Mission die NASA letztendlich auswählt, haben die Agentur und einzelne Zentren damit begonnen, in fortschrittliche Tools zu investieren, um solche Konzepte in Zukunft zu verfolgen. Bereits im März legten die vier Teams ihre Zwischenberichte vor. Bis zum nächsten Jahr sollen sie die Abschlussberichte für den National Research Council (NRC) fertigstellen, die in den kommenden Jahren für die Empfehlungen an die NASA verwendet werden.
Als Thai Pham, der Technologieentwicklungsmanager für das Astrophysics Program Office der NASA, angegeben :
„Ich sage nicht, dass es einfach wird. Es wird nicht sein. Dies sind ehrgeizige Missionen mit erheblichen technischen Herausforderungen, von denen sich viele überschneiden und für alle gelten. Die gute Nachricht ist, dass jetzt die Weichen gestellt werden.“
Da TESS jetzt im Einsatz ist und das JWST bis 2020 starten soll, werden die in den nächsten Jahren gewonnenen Erkenntnisse sicherlich in diese Missionen einfließen. Derzeit ist nicht klar, welches der folgenden Konzepte in den 2030er Jahren ins All gehen wird. Zwischen ihren fortschrittlichen Instrumenten und den Lehren aus früheren Missionen können wir jedoch erwarten, dass sie einige tiefgreifende Entdeckungen über das Universum machen werden.
