WFIRST bekommt seinen Coronagraph, um das Licht der Sterne zu blockieren und ihre Planeten zu enthüllen

Im nächsten Jahrzehnt wird die NASA einige wirklich beeindruckende Einrichtungen ins All schicken. Dazu gehören die Weltraumteleskope der nächsten Generation wie das James Webb Weltraumteleskop (JWST) und die Weitfeld-Infrarot-Weltraumteleskop (WIRST). Aufbauend auf der Stiftung vonHubble, wird WFIRST seine fortschrittlichen Instrumente einsetzen, um einige der tiefsten Geheimnisse des Universums zu untersuchen.

Eines dieser Instrumente ist der Koronagraph, der dem Teleskop einen klaren Blick auf extrasolare Planeten ermöglicht. Dieses Instrument wurde kürzlich fertiggestellt a vorläufige Entwurfsprüfung von der NASA durchgeführt, ein wichtiger Meilenstein in seiner Entwicklung. Damit hat das Instrument alle Design-, Zeitplan- und Budgetanforderungen erfüllt und kann nun in die nächste Entwicklungsphase übergehen.

Der Chronograph ist ein wichtiger Bestandteil der Planetenjagdinstrumente von WFIRST. Normalerweise ist die direkte Abbildung von Exoplaneten aufgrund der intensiven Blendung, die von ihren Elternsternen ausgeht, schwierig. Dieses Licht ist um ein Vielfaches stärker als das Licht, das von der Oberfläche oder Atmosphäre eines Planeten reflektiert wird. Aus diesem Grund werden die kleinen Lichtspuren, die auf das Vorhandensein von Exoplaneten hinweisen, für konventionelle Instrumente verdeckt.

Aber durch das Aufheben der intensiven Blendung eines Sterns haben Astronomen eine viel bessere Chance, Planeten zu entdecken, die ihn umkreisen. Dies bietet den weiteren Vorteil, Exoplaneten direkt untersuchen zu können, anstatt sich auf indirekte Methoden zu verlassen, bei denen Sterne auf Helligkeitsabfälle überwacht werden (die Transitmethode ) oder Anzeichen einer Hin- und Herbewegung, was auf das Vorhandensein eines Planetensystems (der Radialgeschwindigkeitsmethode ).

Im Vergleich dazu die Direkte Bildgebungsmethode bietet viele Vorteile, wie die Möglichkeit, Spektren direkt von der Oberfläche und Atmosphäre eines Planeten zu erhalten. Dies ermöglicht eine genauere Einschätzung der Zusammensetzung eines Planeten und der Zusammensetzung seiner Atmosphäre – d. h. hat er Oberflächenwasser, eine Sauerstoff-Stickstoff-Atmosphäre usw. All dies ist entscheidend, um festzustellen, ob ein Planet potenziell bewohnbar ist.

Als Jason Rhodes, der Projektwissenschaftler für das Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) am Jet Propulsion Laboratory der NASA, erklärt :

„Wir versuchen, eine Milliarde Photonen des Sterns für jedes einzelne, das wir vom Planeten einfangen, auszulöschen … Mit WFIRST werden wir in der Lage sein, Bilder und Spektren dieser großen Planeten zu erhalten, mit dem Ziel, Technologien zu beweisen, die wird in einer zukünftigen Mission verwendet – um schließlich kleine Gesteinsplaneten zu untersuchen, deren Oberflächen flüssiges Wasser oder sogar Lebenszeichen wie unser eigenes haben könnten.“

Künstlerische Illustration des Exoplaneten HR8799e, der mit dem GRAVITY-Instrument der ESO auf ihrem Very Large Telescope Interferometer direkt beobachtet wurde. Bildquelle: ESO/L. Calçada

Das Koronagraph-Instrument des WFIRST (auch bekannt als seine „Starglasses“) ist ein vielschichtiges und hochkomplexes Stück Technologie, bestehend aus einem System von Masken, Prismen, Detektoren und zwei selbstbeugenden Spiegeln. Diese Spiegel sind die Schlüsselkomponenten, die ihre Form in Echtzeit ändern, um einfallendes Licht aufzunehmen, um winzige Veränderungen in der Optik des Teleskops auszugleichen.

Zusammen mit Hightech-„Masken“ und anderen Komponenten – zusammenfassend als „aktive Wellenfrontsteuerung“ bekannt – entfernen diese Spiegel die Interferenzen, die durch Lichtwellen verursacht werden, die sich um die Kanten der lichtblockierenden Elemente des Koronagraphen biegen. Das Endergebnis davon ist, dass das Sternenlicht gedimmt wird, während schwach leuchtende Objekte (die zuvor unsichtbar waren) erscheinen.

Der Koronagraph des WFIRST ist nicht nur 100- bis 1.000-mal leistungsfähiger als frühere Koronagraphen, sondern dient auch als Technologiedemonstrator Das wird seine Wirksamkeit bei der Suche nach Exoplaneten testen. Diese Tests ebnen den Weg für skalierte Versionen, die zu noch größeren Teleskopen hinzugefügt werden können, einschließlich der vier vorgeschlagene Observatorien die in den 2030er Jahren in den Weltraum geschickt werden.

Dazu gehören die Großes Ultraviolett-/Optik-/Infrarot-Vermessungsgerät (LUVOIR), die Origins-Weltraumteleskop (OST) und die Lynx-Röntgenvermesser . Mit größeren und fortschrittlicheren Koronagraphen werden diese Teleskope in der Lage sein, Ein-Pixel-„Bilder“ von kleineren Planeten zu erzeugen, die näher um ihre Sonnen kreisen (dort sind Gesteinsplaneten am wahrscheinlichsten zu finden).

Sobald das Licht dieser Bilder mit einem Spektrometer analysiert wurde, können Astronomen wie nie zuvor nach Lebenszeichen (auch bekannt als Biosignaturen) suchen. Wie Rhodos sagte:

„Mit WFIRST werden wir in der Lage sein, Bilder und Spektren dieser großen Planeten zu erhalten, mit dem Ziel, Technologien zu beweisen, die in einer zukünftigen Mission verwendet werden – um schließlich kleine Gesteinsplaneten zu untersuchen, die flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche haben könnten, oder sogar Lebenszeichen, wie unser eigenes.“

Die Aufnahme eines Koronagraphen in WFIRST ist wichtig, da dies die erste Mission sein wird, seit Hubble (seit 1990 im Orbit) die einzige Astrophysik-Flaggschiffmission der NASA ist, die diese Technologie enthält. Natürlich waren die Koronagraphen von Hubble viel einfachere und weniger ausgereifte Versionen der Technologie als die, die WFIRST verwenden wird.

Das James Webb-Weltraumteleskop wird zwar früher gestartet (derzeit geplant für 2021) und auch mit der Technologie ausgestattet sein, es wird jedoch nicht die gleiche Sternenlichtunterdrückungsfähigkeit wie WFIRST aufweisen. Während WFIRST also die dritte Flaggschiff-Mission sein wird, die Koronagraph-Technologie einsetzt, wird es auch die fortschrittlichste sein.

„WFIRST sollte zwei oder drei Größenordnungen stärker sein als jeder andere jemals geflogene Koronagraph [in seiner Fähigkeit, einen Planeten von seinem Stern zu unterscheiden]“, sagte Rhodes. „Es sollte eine Chance für wirklich überzeugende Wissenschaft geben, auch wenn es sich nur um eine Tech-Demo handelt.“

Künstlerische Darstellung einer zirkumstellaren Trümmerscheibe um einen fernen Stern. Bildnachweis: NASA/JPL

Diese Art von Koronagraph-Technologie könnte auch die klarsten Bilder ermöglichen, die jemals von einem Sternensystem aufgenommen wurden, das sich in den frühen Stadien der Bildung befindet. Dies ist durch einen Stern gekennzeichnet, der von einer massiven Scheibe aus Staub und Gas umgeben ist, während sich langsam Planeten aus angesammeltem Material bilden. Derzeit lassen sich diese Scheiben am besten durch Infrarotuntersuchungen untersuchen, die die von ihrem Mutterstern absorbierte Wärme abbilden können.

Als Vanessa Bailey, Astronomin am JPL und Instrumententechnologin für den WFIRST-Coronagraph, erklärt :

„Die Trümmerscheiben, die wir heute um andere Sterne herum sehen, sind heller und massereicher als das, was wir in unserem eigenen Sonnensystem haben. Das Koronagraph-Instrument von WFIRST könnte schwächeres, diffuseres Scheibenmaterial untersuchen, das eher dem Asteroiden-Hauptgürtel, dem Kuiper-Gürtel und anderem Staub ähnelt, der die Sonne umkreist.“

Diese Studien könnten Aufschluss darüber geben, wie sich unser Sonnensystem gebildet hat. Sobald die Technologie in den ersten 18 Monaten der Mission erfolgreich demonstriert wurde, kann die NASA ein sogenanntes „Particating Scientist Program“ starten. Im Rahmen eines solchen Programms würde der Koronagraph der wissenschaftlichen Gemeinschaft offenstehen und eine größere Vielfalt an Beobachtern und Experimenten ermöglichen.

Die vorläufige Entwurfsprüfung ist eine von mehreren, die darauf abzielen, jeden Aspekt der Mission zu untersuchen. Jede Überprüfung ist umfassend und soll sicherstellen, dass jeder einzelne Teil mit den anderen zusammenarbeitet. Nachdem diese Designüberprüfung jetzt abgeschlossen ist, geht der Entwicklungsplan des Koronagraphen schnell voran.

Der Optikingenieur Camilo Mejia Prada beleuchtet das Innere des Prüfstands für den Koronographen des WFIRST am NASA JPL. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/Matthew Luem

Dies ist die zweite wichtige Komponente der WFIRST-Mission, um die Freigabe zu erhalten. Das Wide-Field-Instrument wurde bereits im Juni freigegeben, eine 288-Megapixel-Multiband-Nah-Infrarot-Kamera, die über ein 100-mal größeres Feld eine Bildschärfe liefern wird, die mit der von Hubble erreichten vergleichbar ist. Diese Kamera gilt als das Hauptinstrument des Weltraumteleskops.

Wie Rhodes angedeutet hat, wird die WFIRST-Mission eine historische sein, ähnlich derMars-PfadfinderMission, die 1997 auf dem Mars landete. Dies war die erste NASA-Mission, die einen Rover (Gast) auf dem Mars, das Schlüsseltechnologien und -methoden validierte, die schließlich in den Geist , Gelegenheit , Neugier ,und März 2020 Rover.

„Das war eine Tech-Demo“, sagte Rhodes. „Das Ziel war zu zeigen, dass ein Rover auf dem Mars funktioniert. Aber es hat zu seinen Lebzeiten einige sehr interessante Wissenschaften betrieben. Wir hoffen also, dass dies auch für die Coronagraph-Tech-Demo von WFIRST gelten wird.“

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