Seit Astronomen anfingen, Teleskope zu verwenden, um einen besseren Blick in den Himmel zu bekommen, hatten sie mit einem grundlegenden Rätsel zu kämpfen. Neben der Vergrößerung müssen Teleskope auch die kleinen Details eines Objekts auflösen können, damit wir sie besser verstehen können. Dies erfordert den Bau immer größerer Lichtsammelspiegel, was Instrumente von größerer Größe, Kosten und Komplexität erfordert.
Wissenschaftler des Space Flight Center der NASA Goddard arbeiten jedoch an einer kostengünstigen Alternative. Anstatt sich auf große und unpraktische Teleskope mit großer Apertur zu verlassen, haben sie ein Gerät vorgeschlagen, das winzige Details auflösen kann, während es nur einen Bruchteil der Größe hat. Es ist bekannt als Photonensieb , und es wird speziell entwickelt, um die Korona der Sonne im Ultravioletten zu untersuchen.
Im Grunde ist das Photonensieb eine Variation der Fresnel-Zonenplatte, einer Form von Optik, die aus eng beieinander liegenden Ringen besteht, die zwischen transparent und undurchsichtig wechseln. Im Gegensatz zu Teleskopen, die Licht durch Brechung oder Reflexion fokussieren, bewirken diese Platten, dass Licht durch transparente Öffnungen gebeugt wird. Auf der anderen Seite überlagert sich das Licht und wird dann auf einen bestimmten Punkt fokussiert – so entsteht ein aufnahmefähiges Bild.
Bild, das das Photonensieb zeigt, das rotes Laserlicht zu einem punktgenauen Fokus auf seiner optischen Achse bringt und exotische Beugungsmuster erzeugt. Credits: NASA/W. Hrybyk
Das Photonensieb funktioniert nach den gleichen Grundprinzipien, jedoch mit einer etwas raffinierteren Wendung. Anstelle von dünnen Öffnungen (also Fresnel-Zonen) besteht das Sieb aus einer kreisförmigen Siliziumlinse, die mit Millionen winziger Löcher übersät ist. Obwohl ein solches Gerät potenziell bei allen Wellenlängen nützlich wäre, entwickelt das Goddard-Team das Photonensieb speziell, um eine 50 Jahre alte Frage zur Sonne zu beantworten.
Im Wesentlichen hoffen sie, die Korona der Sonne zu untersuchen, um zu sehen, welcher Mechanismus sie erwärmt. Wissenschaftler wissen seit einiger Zeit, dass die Korona und andere Schichten der Sonnenatmosphäre (die Chromosphäre, die Übergangsregion und die Heliosphäre) deutlich heißer sind als ihre Oberfläche. Warum das so ist, ist ein Rätsel geblieben. Aber vielleicht nicht mehr lange.
Wie Doug Rabin, der Leiter des Goddard-Teams, in einem NASA-Bericht sagte Pressemitteilung :
„Das ist bereits ein Erfolg… Seit mehr als 50 Jahren ist die zentrale unbeantwortete Frage der Sonnenkoronaforschung, wie von unten transportierte Energie die Korona erwärmen kann. Aktuelle Instrumente haben eine räumliche Auflösung, die etwa 100-mal größer ist als die Merkmale, die beobachtet werden müssen, um diesen Prozess zu verstehen.“
Mit Unterstützung des Forschungs- und Entwicklungsprogramms von Goddard hat das Team bereits drei Siebe hergestellt, die alle einen Durchmesser von 7,62 cm (3 Zoll) haben. Jedes Gerät enthält einen Siliziumwafer mit 16 Millionen Löchern, deren Größe und Lage mit einer Herstellungstechnik namens Photolithographie bestimmt wurden – bei der Licht verwendet wird, um ein geometrisches Muster von einer Photomaske auf eine Oberfläche zu übertragen.
Das Goddard-Team unter der Leitung von Doug Rabin (links) arbeitet an einem neuen optischen Gerät, das die Größe von Teleskopen drastisch reduzieren wird. Credits: NASA/W. Hrybyk
Langfristig hoffen sie jedoch, ein Sieb mit einem Durchmesser von 1 Meter (3 Fuß) herstellen zu können. Sie glauben, mit einem Instrument dieser Größe eine bis zu 100-mal bessere Winkelauflösung im Ultravioletten erreichen zu können als das hochauflösende Weltraumteleskop der NASA – das Observatorium für Solardynamik . Dies würde gerade ausreichen, um einige Antworten von der Sonnenkorona zu erhalten.
In der Zwischenzeit plant das Team, mit Tests zu beginnen, um zu sehen, ob das Sieb im Weltraum funktionieren kann, ein Prozess, der weniger als ein Jahr dauern sollte. Dazu gehört, ob es die intensiven g-Kräfte eines Weltraumstarts sowie die extreme Umgebung des Weltraums überleben kann oder nicht. Andere Pläne beinhalten die Vermählung der Technologie mit einer Reihe von CubeSats, damit eine Formationsflug-Mission mit zwei Raumfahrzeugen zur Untersuchung der Sonnenkorona durchgeführt werden könnte.
Ein erfolgreiches Photonensieb könnte nicht nur Licht in die Geheimnisse der Sonne bringen, sondern auch die Optik, wie wir sie kennen, revolutionieren. Anstatt gezwungen zu sein, massive und teure Geräte in den Weltraum zu schicken (wie die Hubble-Weltraumteleskop oder der James Webb Teleskop ) könnten Astronomen alle benötigten hochauflösenden Bilder von Geräten erhalten, die klein genug sind, um an Bord eines Satelliten mit einer Größe von nur wenigen Quadratmetern zu bleiben.
Dies würde neue Orte für die Weltraumforschung eröffnen und es privaten Unternehmen und Forschungseinrichtungen ermöglichen, detaillierte Fotos von fernen Sternen, Planeten und anderen Himmelsobjekten zu machen. Es wäre auch ein weiterer entscheidender Schritt, um die Weltraumforschung bezahlbar und zugänglich zu machen.
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