Artemis-Missionen könnten das leistungsstärkste bildgebende Teleskop auf den Mond bringen

Die bodengestützte Interferometrie auf der Erde hat sich als erfolgreiche Methode für wissenschaftliche Untersuchungen erwiesen, indem sie das Licht mehrerer Teleskope zu einem einzigen großen Teleskop kombiniert. Aber wie kann ein ultraviolettes (UV)/optisches Interferometer-Teleskop auf dem Mond bessere wissenschaftliche Ergebnisse liefern und können die Artemis-Missionen dazu beitragen, dies Wirklichkeit werden zu lassen?

Das ist, was ein kürzlich eingereichte Studie auf der Konferenz SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation 2024 möchte sich ein Forscherteam mit dem Artemis-fähigen Stellar Imager (AeSI) befassen, der, wie der Name schon sagt, möglicherweise mit den kommenden Artemis-Missionen der NASA auf die Mondoberfläche gebracht werden könnte. Die Studie wurde auf der arXiv Preprint-Server.

Dieser Vorschlag wurde vor Kurzem als Studie der Phase 1 im Rahmen des Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programms der NASA angenommen und birgt das Potenzial, eine revolutionäre Methode mit extrem hoher Winkelauflösung für die wissenschaftliche Forschung auf anderen Planetenkörpern zu entwickeln und gleichzeitig zu anderen Missionen beizutragen.

Hier diskutiert Universe Today diese unglaubliche Forschung mit Dr. Gioia Rau, Astrophysikerin am Goddard Space Flight Center der NASA und Programmdirektorin bei der NSF, über die Motivation hinter dieser Studie, wichtige Erkenntnisse aus dieser Arbeit, die nächsten Schritte, sollte diese über Phase 1 hinausgehen, langfristige Ziele in Bezug auf Mondoberflächenstandorte und wie AeSI unser Verständnis der Bewohnbarkeit von Exoplaneten verbessern kann. Was war also die Motivation hinter dieser Studie?

Dr. Rau erklärt gegenüber Universe Today: „Die Motivation hinter dieser Studie besteht darin, zu beurteilen, ob wir in Zusammenarbeit mit dem bemannten Artemis-Programm ein großes Observatorium (Interferometer) mit spärlicher Apertur auf der Mondoberfläche bauen und betreiben können und ob es mit einer zuvor entwickelten Freifliegeroption konkurrieren kann.“

„Das Endziel besteht darin, die Untersuchung unseres Universums in Ultra High Definition bei ultravioletten und optischen Wellenlängen mit einer etwa 200-fachen Winkelauflösung des HST zu ermöglichen! Aufgrund der darüber liegenden Atmosphäre sind Beobachtungen im Ultraviolettbereich von der Erdoberfläche aus nicht möglich, und selbst im sichtbaren Bereich begrenzt die Erdatmosphäre die mit erdgebundenen Interferometern erreichbare endgültige Auflösung.“

Für ihre Studie stützen sich die Forscher auf seit langem laufende Vorschläge, UV-/optische Interferometer in den Weltraum zu bringen. Aufgrund der fehlenden Infrastruktur auf der Mondoberfläche bevorzugen die Wissenschaftler jedoch den Einsatz von Satelliten und Orbitern, die die Forscher als „Freiflieger“ bezeichnen.

Für AeSI schlagen die Forscher vor, mithilfe der Infrastruktur, die über das Artemis-Programm der NASA zum Mond gebracht wird, ein Mondinterferometer zu konstruieren, mit dem Ziel, fortgeschrittene wissenschaftliche Erkenntnisse über Exoplanetensysteme zu gewinnen, darunter die Oberflächen von Sternen, ihr Inneres, Magnetfelder, das Weltraumwetter und die Bewohnbarkeit von Exoplaneten.

Um dies zu erreichen, wird AeSI aus einem 1 Kilometer langen UV/optischen Bildgebungsinterferometer in der Nähe des Südpols des Mondes bestehen, der Landeregion für das Artemis-Programm, insbesondere Artemis III.

Neben der verbesserten Wissenschaft wirbt das Team auch für die Skalierbarkeit des Projekts und weist darauf hin, dass es potenziell bis zu 30 oder mehr Elemente umfassen kann, um als einzelnes Interferometer zu dienen. Darüber hinaus befasst sich das Team mit mehreren Problemen, die bei diesem Vorhaben auftreten könnten, darunter Mondstaub, seismische Aktivitäten und der Einsatz von Roboterassistenten als Hilfsunterstützung für den Bau. Was sind also die wichtigsten Erkenntnisse aus dieser Studie?

Dr. Rau sagt: „Die wichtigsten Erkenntnisse aus dieser Studie sind, dass das Projekt durchführbar ist und dass die visionäre Idee unseres PI, Dr. Kenneth Carpenter (NASA/Goddard Space Flight Center), realistisch umgesetzt werden kann. Die Studie liefert wichtige Empfehlungen für weitere Forschung und Technologieentwicklung, die für die Weiterentwicklung des Projekts und die Bewältigung aller technischen Herausforderungen und der erforderlichen weiteren Technologieentwicklung von entscheidender Bedeutung sein werden.“

Wie bereits erwähnt, wurde AeSI im Rahmen des Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programms der NASA für eine Studie der Phase 1 zugelassen (Erfolgsquote unter 4 %!). NIAC hat seit 1998 erfolgreich zur technologischen Weiterentwicklung der Luft- und Raumfahrtindustrie beigetragen und hieß bis zu seiner Schließung im Jahr 2007 ursprünglich NASA Institute for Advanced Concepts.

Nur zwei Jahre später forderte der Kongress die National Academy of Sciences auf, die Gründe für die Schließung zu prüfen. Er unterbreitete Empfehlungen für die Zukunft, die 2011 zur Gründung des aktuellen NIAC-Programms führten.

Seitdem hat das NIAC technologische Fortschritte in den Bereichen Nanosatelliten, Planetenerkundung, Exoplanetenspektroskopie, Astrophysik, Kosmologie, Sonnenforschung, menschliche Weltraumerkundung und vielen anderen Bereichen erzielt. Diese Vorschläge durchlaufen drei Phasen, wobei jede Phase eine erhöhte Finanzierung und Zeit für das Projekt ermöglicht. Angesichts der Tatsache, dass es sich bei AeSI um eine Phase-1-Studie handelt, was sind die nächsten Schritte, wenn die Weiterführung genehmigt werden sollte?

Dr. Rau sagt: „Die nächsten Schritte würden darin bestehen, Unterstützung für Phase 2 vom NIAC zu beantragen und zusätzliche Finanzierungsmöglichkeiten und Ressourcen zu erkunden. In Phase 2 würde der Schwerpunkt auf der Weiterentwicklung und Verfeinerung der ersten 9-monatigen Studie liegen, die wir in Phase 1 durchführen.“

„Wir sind davon überzeugt, dass unser visionäres Konzept das Potenzial hat, die wissenschaftliche Forschung zu revolutionieren und eine bedeutende Gelegenheit für die Demonstration von Technologien auf der Mondoberfläche zu bieten. Daher hoffen wir aufrichtig, dass wir weitere Unterstützung erhalten …“

Zu den langfristigen Zielen von AeSI sagt Dr. Rau: „Es gibt zahlreiche Einschränkungen bei der Platzierung von Interferometern auf der Mondoberfläche, insbesondere bei optischen und UV-Interferometern! Wir beschreiben dies ausführlicher im Abschlussbericht der Phase-1-Studie des NIAC, der Anfang nächsten Jahres veröffentlicht wird.“

„Derzeit ist geplant, dass unser Projekt mit Phase 1 beginnt, die aus 15 Rovern in einer elliptischen Anordnung mit einer Hauptachse von 1 km besteht. Das Observatorium wird sich in späteren Phasen zu einer Anordnung von etwa 30 Rovern mit einem erweiterten Hub entwickeln, um die Strahlen der größeren Anzahl von Rovern (Spiegelstationen) zu kombinieren und eine extrem hohe Winkelauflösung von Himmelsobjekten wie entfernten sonnenähnlichen Sternen, aktiven galaktischen Kernen (AGN), Exoplaneten, kühlen entwickelten Sternen und mehr zu bieten.“

Wie bereits erwähnt, besteht eines der wissenschaftlichen Ziele von AeSI neben der erweiterten Forschung an Sternen auch darin, die Bewohnbarkeit von Exoplaneten festzustellen. Zu diesem Zweck hat die NASA die Existenz von mehr als 5.700 Exoplaneten in unserer Milchstraße bestätigt.

Von diesen werden derzeit fast 70 als in der „bewohnbaren Zone“ ihres Muttersterns befindlich eingestuft, wobei es sich bei 29 von ihnen möglicherweise um terrestrische (felsige) Welten und bei den verbleibenden 41 um „Wasserwelten“ oder Mini-Neptune handelt.

Es wurde festgestellt, dass diese potenziell bewohnbaren Welten sowohl innerhalb als auch außerhalb der bewohnbaren Zone kreisen, wobei manche während einer Umlaufbahn sowohl innerhalb als auch außerhalb der bewohnbaren Zone liegen. Wie könnte AeSI also unser Verständnis der Bewohnbarkeit von Exoplaneten verbessern?

Dr. Rau sagt: „AeSI wird uns einen tieferen Einblick in die Eigenschaften der Muttersterne in weit entfernten Exoplanetensystemen geben. Indem wir diese Sterne genauer analysieren, können wir ein besseres Verständnis der Bedingungen gewinnen, die die Bewohnbarkeit der sie umkreisenden Planeten beeinflussen. Dazu gehört auch die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Planeten und ihren Sternen, die das Potenzial für Leben auf diesen Exoplaneten erheblich beeinflussen können.“

Während sich die NASA im Rahmen des Artemis-Programms darauf vorbereitet, zum ersten Mal seit 1972 wieder Menschen zum Mond zu schicken, ist es wichtig, die unglaubliche Wissenschaft hervorzuheben, die mit der von Artemis geschaffenen Infrastruktur möglich ist.

Da die erdgebundene Interferometrie von der Erde aus ein seit langem etabliertes und erfolgreiches wissenschaftliches Feld ist, das zu einem besseren Verständnis der Radioastronomie, der Sonnenphysik, von Nebeln, Galaxien und Exoplaneten beigetragen hat, bietet AeSI eine einzigartige Gelegenheit, auf anderen Planetenkörpern revolutionäre wissenschaftliche Arbeiten durchzuführen und Bilder entfernter Sterne mit der höchsten Winkelauflösung aller Zeiten aufzunehmen, und dabei auch neue Technologien zu testen.

Dr. Rau kommt zu dem Schluss: „AeSI wird die allerersten Ansichten des Universums mit ultrahoher Winkelauflösung im Ultraviolettbereich (UV) liefern. Dies ist ein gewaltiger Fortschritt für so viele Aspekte der Astrophysik, vom Verständnis der magnetischen Aktivität in Sternen und ihrer Auswirkungen auf die sie umgebenden Planeten bis hin zu detaillierten Studien von Exoplaneten, Weltraumwetter, AGN, Sternastrophysik und mehr.

„Die hochauflösenden ultravioletten und optischen Beobachtungen von AeSI werden neue Grenzen in der Astrophysik öffnen und ein umfassenderes und detaillierteres Bild der energiereichsten und rätselhaftesten Bestandteile des Universums bieten.“