Welches Teleskop wird benötigt, um die ersten Sterne im Universum zu sehen? Das ultimative große Teleskop
Die ältesten Sterne des Universums sind in Dunkelheit gehüllt. Ihre Rotverschiebung ist so hoch, dass wir uns nur über sie wundern können. Das James-Webb-Weltraumteleskop wird unser effektivstes Teleskop für die Beobachtung des sehr frühen Universums sein und sollte bis zu z = 15 beobachten. Aber auch es hat Grenzen.
Um die allerersten Sterne des Universums zu beobachten, brauchen wir ein größeres Teleskop. Das ultimative große Teleskop.
Das Ultimately Large Telescope (ULT) ist an dieser Stelle nur ein Konzept. Kein Zweifel, die James Webb Weltraumteleskop wird uns viel über das frühe Universum zeigen, aber wir alle wissen, dass wir in Zukunft ein noch leistungsfähigeres Teleskop wollen. So bauen wir unser Wissen aus.
Der Wunsch, den ULT zu bauen, wird von unserer unstillbaren Neugier getrieben. Wir wollen mehr über die Anfänge des Universums und die dort lebenden Sterne erfahren. In einem Papier skizziert eine Gruppe von Wissenschaftlern, was die ULT sein wird, warum sie notwendig ist und wie sie funktionieren wird.
Der Titel des neuen Papiers lautet „ Das Ultimately Large Telescope – welche Art von Einrichtung brauchen wir, um Sterne der Population III zu entdecken? ” Hauptautorin ist Anna Schauer, Research Associate im Department of Astronomy der University of Texas, Austin. Das Papier ist auf der Prepress-Site arxiv.org verfügbar.
Sterne werden in drei Populationen unterteilt: Population 3, Population 2 und Population 1. Pop 3 Sterne sind die ältesten, die ersten Sterne, die sich bildeten, und bestanden nur aus Elementen des Urknalls: Wasserstoff, etwas Helium und winzige Mengen Lithium und Beryllium. Weil sie die ersten Sterne sind, haben sie sehr niedrige Metallizität . (In der Astrophysik gilt alles, was schwerer als Wasserstoff und Helium ist, als Metall.)
Künstlerische Illustration der ersten Sterne des Universums, genannt Population 3-Sterne. Pop-3-Sterne wären viel massereicher als die meisten Sterne heute gewesen und hätten heiß und blau gebrannt. Ihre Lebensdauer wäre viel kürzer gewesen als die von Sternen wie unserer Sonne. Bildnachweis: Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1582286
Pop 2 Sterne kam als nächstes. Als die Pop-1-Stars lebten und starben, verschmolzen sie schwerere Elemente und verbreiteten sie im Universum. Pop-2-Sterne werden aus einem Teil dieser Materie gebildet, daher haben sie eine höhere Metallizität als Pop-1-Sterne.
Pop 1 Stern sind die „dritte Generation“ von Stars. Als Stars der dritten Generation haben sie eine noch höhere Metallizität als Pop-2-Stars. Jede Generation von Sternen erzeugt mehr Metalle, die von der nachfolgenden Generation aufgenommen werden.
Unsere eigene Sonne ist ein Pop-1-Stern. Es hat einen für einen Stern hohen Metallgehalt von etwa 1,4 Prozent. Obwohl Astronomen also von hoher Metallizität in Sternen sprechen, ist die überwältigende Masse eines Sterns immer noch Wasserstoff.
Pop-3-Sterne bergen viele Geheimnisse über das frühe Universum, und Astronomen wollen Zugang zu diesen Geheimnissen.
Infrarot-Teleskope können in die ferne Vergangenheit blicken. Der James Webb beobachtet im nahen Infrarot (NIR), um das rotverschobene Licht der frühesten Galaxien zu sehen. Aber es kann die Barriere nicht durchbrechen, noch weiter zurück zu sehen, als es noch keine Galaxien, sondern nur Sterne gab.
Das James Webb-Weltraumteleskop in einem Reinraum im Johnson Space Center der NASA in Houston. Bildnachweis: NASA/JSC
Dazu benötigen wir den ULT.
Da die ersten Sterne fast keine Metalle hatten, bildeten und entwickelten sie sich anders. Forscher glauben, dass sie massiver waren als spätere Populationen, tatsächlich Hunderte Mal massiver als die Sonne. Sie verbrannten auch ihren Brennstoff schnell und lebten kürzer.
Wissenschaftler vermuten auch, dass die meisten dieser Pop-3-Sterne explodierten, als Paarinstabilität Supernovae. In dieser Terminologie bedeutet „Paar“ nicht binäres Paar. Es beschreibt die Produktion von Elektronen- und Positronenpaaren im Stern, die zum Kollaps des Sterns und dann zur außer Kontrolle geratenen thermonuklearen Explosion des Sterns führt, wenn er zur Supernova wird.
Aber vieles davon ist Theorie, basierend auf unseren Beobachtungen und unserem Verständnis der anderen Sternenpopulationen. Niemand hat je einen Pop-3-Star gesehen. Daher die ULT.
Die ULT muss stark genug sein, um die „Minihalos“ zu finden, in denen sich Pop-3-Sterne gebildet haben. Die aktuelle Theorie besagt, dass sich große Galaxien im Inneren bilden und existieren Halos aus dunkler Materie . Die Theorie sagt voraus, dass sich die Pop-3-Sterne des Universums ebenfalls in Halos gebildet haben, wenn auch viel kleiner. Die ersten Sterne zu finden bedeutet, ihre Heiligenscheine zu finden.
Als sie sich mit den Einschränkungen des JWST beim Auffinden dieser Halos befassten, schrieben die Autoren: „Allerdings werden die ersten Sterne selbst mit dieser neuen Einrichtung unerreichbar bleiben, da sie in kleinen Minihalos mit zu schwacher Leuchtkraft geboren werden, um selbst von den längste Belichtungszeiten.“
Dies bringt uns zum ULT selbst. Der ULT müsste einen 100-Meter-Spiegel haben. Das ist absolut enorm, wenn man bedenkt, dass das derzeit größte optische Teleskop – das Europäisches extrem großes Teleskop (EELT) – wird einen 39,3-Meter-Spiegel haben, der aus 798 separaten Segmenten besteht. Das EELT stößt bereits an die Grenzen unserer Technik, so dass ein 100-Meter-Spiegel möglicherweise noch eine Weile außerhalb unserer technischen Möglichkeiten liegt. In ihrem Papier schreiben die Autoren: „Obwohl 100 m offensichtlich eine Herausforderung darstellen, liegt sie im Bereich des Möglichen für die Technologie der Mitte des Jahrhunderts.“
Aber die Größe ist vielleicht nicht das Interessanteste an diesem potenziellen Teleskop. Laut den Autoren müsste diese Monstrosität auf dem Mond gebaut werden.
Ein neues interaktives Mosaik des Lunar Reconnaissance Orbiter der NASA deckt den Nordpol des Mondes von 60 bis 90 Grad nördlicher Breite mit einer Auflösung von 6-1/2 Fuß (2 Meter) pro Pixel ab. Klicken Sie hier, um zu besuchen. Bildquelle: NASA/GSFC/Arizona State University
Der Mond ist der einzig wirklich praktikable Ort für die ULT. Es gibt keine Möglichkeit, es in den Weltraum zu schießen und in einer LaGrangeschen Halo-Umlaufbahn wie dem JWST zu parken. Und es kann nicht auf der Erde gebaut werden, wo die Atmosphäre ihre Beobachtungen stören würde.
Referenzierung vorheriges Denken in ein Moonscope, sagen die Autoren, dass der ULT am besten in einem Mondkrater gebaut werden würde, wo es permanenten Schatten gibt. Selbst dann müsste es noch kryogen gekühlt werden. Der ULT würde sich am Mondpol befinden, immer auf den Zenit zeigen und hätte keine gelenkige Halterung. Während früher über ein Moonscope nachgedacht wurde, sprach man von a Flüssigkeitsspiegel , das neue Papier erwähnt es nicht.
Sein Zielgebiet wäre durch die Präzession des Mondes begrenzt, und die Belichtungen könnten mehrere Tage dauern. Das Hinzufügen einer Art von Tracking-Einrichtung wie einer beweglichen Hauptfokusplattform könnte diese Belichtungszeit verlängern.
Der Mond könnte der perfekte Standort für einige Arten von Teleskopen sein. Bildquelle: NASA Goddard Space Flight Center.
Es gibt noch keinen Plan, dieses Teleskop zu bauen, daher geht das Papier nicht auf große technische Details ein. Tatsächlich beschäftigt sich das Papier selbst mehr damit, wofür Astronomen es verwenden werden, und mit Modellen, wie man es verwendet.
Aber wenn es jemals gebaut wird – und wir wetten, dass es irgendwann wird – wird es wahrscheinlich nicht allein auf dem Mond sein. Tatsächlich scheint der Mond ein idealer Standort für bestimmte Arten von Teleskopen zu sein, insbesondere für Radioteleskope.
Die NASA hat kürzlich die Finanzierung einer Studie über ein Radioteleskop auf der anderen Seite des Mondes angekündigt. Es heißt vorläufig Mondkrater-Radioteleskop (LCRT.) Wie der Name schon sagt, würde er innerhalb der natürlich konkaven Form eines geeigneten Kraters gebaut.
Eine Illustration des konzeptionellen Mondkrater-Radioteleskops. Bildquelle: Saptarshi Bandyopadhyay
Die Idee der Mondteleskope reicht bis in die Apollo-Ära zurück. Während dieser Zeit stellte sich ein Wissenschaftler des Apollo-Projekts namens Richard Vondrak vor, Radioteleskope in Mondkratern zu bauen.
Eine Illustration von drei Radioteleskopen in Mondkratern. Bildquelle: NASA
Eine der Apollo-Missionen hat tatsächlich ein Teleskop auf dem Mond platziert. Als Apollo 16 am 21. April 1972 auf dem Mond landete, trug es ein Ultraviolett-Teleskop, das 178 Bilder des Universums aufnahm.
Apollo-16-Astronaut John Young springt in die „Luft“ und grüßt. Die Fern-UV-Kamera/der Spektrograph befindet sich hinter ihm, im Schatten des Landers. Bildnachweis: Von der NASA Charles M. Duke Jr. – Großartige Bilder in der NASA-Beschreibung, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6449804
China hat in jüngerer Zeit auch Teleskope zum Mond gebracht. Der Lander Chang’e-3 brachte 2013 ein ferngesteuertes Teleskop zum Mond, und 2019 brachte sein Lander Chang’e-4 ein kleines Radioteleskop zum Mond.
Aber obwohl diese kleinen Teleskope interessant sind und das Apollo 16-Teleskop Teil der Weltraumgeschichte ist, gehören sie kaum in die gleiche Diskussion wie die ULT.
Wenn der ULT jemals gebaut wird und einen 100-Meter-Hauptspiegel hat, könnte er sehr wohl eine der ultimativen technischen Errungenschaften der Menschheit sein. Und indem es Beobachtungen der ersten Sterne des Universums ermöglicht, könnte es endlich einige der Fragen beantworten, die unserem Verständnis des Universums im Wege stehen.
Mehr:
- Forschungsbericht: Das Ultimately Large Telescope – welche Art von Einrichtung brauchen wir, um Sterne der Population III zu entdecken?
- KAVLI-Institut für Teilchenphysik und Kosmologie: Population III-Stars: Die ultimativen zurückgezogenen Popstars des Universums
- Universum heute: Hubble schaute so weit zurück wie möglich und konnte immer noch nicht die erste Generation von Sternen im Universum sehen