Ein unterschätzter Aspekt der aktuellen Flut von Exoplanetenentdeckungen sind die technischen Wunder, die sie ermöglichen. Wissenschaftler und Ingenieure müssen winzige Signale von Sternen und Planeten einfangen und erkennen, die Lichtjahre entfernt sind. Mit den Technologien von vor wenigen Jahrzehnten wäre das noch unmöglich gewesen – heute scheint es alltäglich zu sein. Es sind jedoch noch einige technische Hürden zu überwinden, bevor der „Heilige Gral“ der Exoplanetenjagd – ein Analogon zur Erde – gefunden wird.
Um diese Diskussion zu unterstützen, hat ein Forscherteam unter der Leitung von Bertrand Mennesson am Jet Propulsion Laboratory der NASA veröffentlichte ein Papier auf der arXiv Preprint-Server mit detaillierten Angaben zur aktuellen experimentellen und theoretischen Arbeit zu einem der kritischsten technischen Aspekte der Erforschung von Exoplanetenatmosphären – Sternschatten.
Das Papier befasst sich insbesondere mit den technischen Hürden eines der interessantesten zukünftigen Konzepte der Weltraumtechnologie. Das Habitable Worlds Observatory (HWO) wurde als Teil der jüngsten Dekadenstudie der NASA gefordert.
Obwohl sich der Entwicklungszyklus noch in einem frühen Stadium befindet, sind die Grundzüge der Funktionsweise des HWO bereits klar erkennbar, auch wenn einige technische Details noch nicht bekannt sind. Und diese Grundzüge deuten auf die Notwendigkeit eines Sternschirms oder Koronographen hin – oder auf beides.
Der Artikel beschreibt detailliert den Unterschied zwischen einem Sternschatten und einem Koronographen. Ein Sternschatten ist per Definition ein Filter, der zwischen dem Hauptspiegel des Teleskops und dem beobachteten Objekt platziert wird. Ein Koronograph hingegen ist ein Filter, der zwischen dem Hauptspiegel und dem Sensor des Teleskops platziert wird. Beide Methoden haben Vor- und Nachteile hinsichtlich der Daten, die das Teleskop damit sammeln kann, sie können aber auch kombiniert werden.
Sternschatten sind nicht nur für Weltraumteleskope nützlich, wie Fraser in diesem Video mit Dr. Markus Janson bespricht.
Mehrere Labore weltweit arbeiten an der Entwicklung von Sternschatten- und Koronagraphentechnologie. Allerdings beeinflussen einige Nuancen der Testaufbauten die Anwendbarkeit ihrer Arbeit auf das HWO-Projekt. Einige Tests werden im Vakuum durchgeführt, während andere in der Luft stattfinden. Einige Tests werden an monolithischen Spiegelteleskopen durchgeführt, während andere an segmentierten Spiegeln stattfinden.
Derzeit ist der grundlegende Betriebsmodus von HWO ein weltraumgestütztes Teleskop, was angesichts der aktuellen Beschränkungen der Startgröße auch bedeutet, dass es segmentiert werden muss. Daher sind nur einige Tests, die zur Validierung der Koronagraphen- und Sternschattentechnologien durchgeführt wurden, auf den HWO-Anwendungsfall anwendbar.
Für die entsprechenden Tests gibt es drei besondere „Key Performance Parameters“ (KPPs), wie sie in dem Papier genannt werden, die die Durchführbarkeit der Technologie beeinflussen können. Dabei handelt es sich um den „Roh“-Kontrast des Bildes, den „Post-Kalibrierung“-Kontrast und den „Off-Axis-Durchsatz“.
Für jeden dieser Punkte gibt es eine ausführliche technische Definition, die in dem Artikel beschrieben wird. Die ersten beiden kann man sich jedoch so vorstellen, wie einfach es ist, einen Exoplaneten zu sehen, bevor („roh“) und nachdem („nach der Kalibrierung“) ein Bild durch einen Datenverarbeitungsalgorithmus geleitet wird. Der Off-Axis-Durchsatz ist der Prozentsatz des Lichts, das vom Planeten durch das Sternenlichtunterdrückungssystem gelangt.
Jeder dieser drei KPPs stellt einen Kompromiss mit den anderen beiden dar. Die Optimierung eines Sternenlichtunterdrückungssystems wie eines Koronographen oder eines Sternenschirms erfordert das Verständnis und die Validierung dieser Design-Kompromisse. In dem Dokument wird erwähnt, dass die Details des HWO noch im Fluss sind, sodass es unmöglich ist, zu bestimmen, welche Kompromisse eingegangen werden müssen, um ein voll funktionsfähiges System zu erhalten.
Faktoren wie die Anzahl der Exo-Erden, die das HWO voraussichtlich beobachten wird, ihre Orbitalparameter und wie lange das Observatorium Daten zu einem bestimmten Planetensystem erfassen darf, werden allesamt in die simulierten Kompromisse einfließen, die in der Arbeit erörtert werden.
Das Nancy Grace Roman Space Telescope ist ein weiterer Kandidat für die Suche nach Exoplaneten und verfügt über ein fortschrittliches System zur Unterdrückung von Sternenlicht, wie Fraser in diesem Video erläutert.
Das Wichtigste dabei ist, dass die Autoren des Dokuments erklärten, sie wollten die technischen Komitees des HWO-Projekts über diese Kompromisse informieren und bei der Auswahl der Missionsparameter helfen, die zum aktuellen (oder kurzfristigen) Stand der technischen Entwicklung einer der wichtigsten Technologien für den optimalen Betrieb des Systems passen könnten.
HWO befindet sich noch in der frühen Planungsphase und hat noch keinen voraussichtlichen Starttermin. Die Arbeit an der Zusammenstellung der Teams, die die technischen Entscheidungen treffen werden, um die Auswahl eines Sternenlichtunterdrückungssystems für HWO zu unterstützen, hat begonnen. Dr. Mennesson, der Hauptautor des Artikels, ist zufällig auch einer der Co-Vorsitzenden eines der Komitees.
Aber im Moment bleibt noch genügend Zeit, um das HWO-Design auszuarbeiten und verschiedene Technologien zur Unterdrückung des Sternenlichts weiter zu entwickeln und zu testen. Wenn das bemerkenswerte Tempo der Exoplanetenentdeckung ein Hinweis ist, wird die Teleskop-Entwicklungsgemeinschaft mit etwas mehr Zeit und Aufmerksamkeit ein optimal konzipiertes System entwickeln, um eine der begehrtesten Entdeckungen der modernen Wissenschaft zu ermöglichen.
Mehr Informationen:
Bertrand Mennesson et al., Aktuelle Laborleistung von Sternenlichtunterdrückungssystemen und mögliche Wege zu den gewünschten Möglichkeiten der Exoplanetenforschung des Habitable Worlds Observatory, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2404.18036