Das SPHEREx-Weltraumteleskop der NASA sieht allmählich so aus, wie es aussehen wird, wenn es in der Erdumlaufbahn ankommt und mit der Kartierung des gesamten Himmels beginnt. SPHEREx ist die Abkürzung für Specto-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization und Ices Explorer und ähnelt einem Megaphon, wenn auch eines, das fast 8,5 Fuß (2,6 Meter) hoch und fast 10,5 Fuß (3,2 Meter) breit ist. Seine charakteristische Form verleihen dem Observatorium seine kegelförmigen Photonenschilde, die in einem Reinraum im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien zusammengebaut werden.
Drei ineinander eingebettete Kegel werden das SPHEREx-Teleskop umgeben, um es vor dem Licht und der Hitze der Sonne und der Erde zu schützen. Die Raumsonde wird jeden Abschnitt des Himmels abtasten, als würde sie das Innere eines Globus scannen, um jedes Jahr zwei Karten des gesamten Himmels zu erstellen.
„SPHEREx muss ziemlich wendig sein, da sich das Raumschiff beim Scannen des Himmels relativ schnell bewegen muss“, sagte Sara Susca vom JPL, stellvertretende Nutzlastmanagerin und Nutzlastsystemingenieurin für die Mission. „Es sieht nicht so aus, aber die Schilde sind tatsächlich recht leicht und bestehen aus Materialschichten wie bei einem Sandwich. Die Außenseite besteht aus Aluminiumblechen und die Innenseite besteht aus einer Wabenstruktur aus Aluminium, die wie Pappe aussieht – leicht, aber robust.“
Wenn SPHEREx spätestens im April 2025 auf den Markt kommt, wird es Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, woher Wasser und andere wichtige lebenswichtige Inhaltsstoffe stammen. Zu diesem Zweck wird die Mission die Menge an Wassereis in interstellaren Gas- und Staubwolken messen, in denen neue Sterne entstehen und aus denen sich schließlich Planeten bilden. Es wird die kosmische Geschichte von Galaxien untersuchen, indem es das kollektive Licht misst, das sie erzeugen.
Diese Messungen werden dabei helfen herauszufinden, wann sich Galaxien zu bilden begannen und wie sich ihre Entstehung im Laufe der Zeit verändert hat. Schließlich wird SPHEREx durch die Kartierung der Position von Millionen von Galaxien relativ zueinander nach neuen Hinweisen suchen, wie die schnelle Expansion oder Inflation des Universums einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall stattfand.
SPHEREx der NASA wird eine einzigartige Himmelskarte erstellen. Schauen Sie sich einige der speziellen Hardware an, die die Mission für hochmoderne Wissenschaft nutzt. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Kühl und stabil
SPHEREx wird all dies durch die Erkennung von Infrarotlicht erreichen, einem Wellenlängenbereich, der länger ist als das sichtbare Licht, das das menschliche Auge sehen kann. Infrarotlicht wird manchmal auch Wärmestrahlung genannt, weil es von allen warmen Objekten abgegeben wird. Sogar das Teleskop kann Infrarotlicht erzeugen. Da dieses Licht seine Detektoren stören würde, muss das Teleskop kalt gehalten werden – unter minus 350 Grad Fahrenheit (etwa minus 210 Grad Celsius).
Der äußere Photonenschild blockiert Licht und Wärme von Sonne und Erde, und die Lücken zwischen den Kegeln verhindern, dass Wärme nach innen zum Teleskop gelangt. Um aber sicherzustellen, dass SPHEREx seine eisige Betriebstemperatur erreicht, benötigt es auch einen sogenannten V-Groove-Strahler: drei konische Spiegel, jeder wie ein umgedrehter Regenschirm, die übereinander gestapelt sind. Unter den Photonenschilden sitzend, besteht jeder aus einer Reihe von Keilen, die Infrarotlicht umlenken, sodass es durch die Lücken zwischen den Schilden in den Weltraum reflektiert wird. Dadurch wird die durch die Stützen transportierte Wärme aus dem Raumtemperaturbus des Raumfahrzeugs entfernt, der den Computer und die Elektronik enthält.
„Uns geht es nicht nur darum, wie kalt SPHEREx ist, sondern auch darum, dass seine Temperatur gleich bleibt“, sagte Konstantin Penanen vom JPL, Nutzlastmanager der Mission. „Wenn die Temperatur schwankt, könnte sich die Empfindlichkeit des Detektors ändern, was zu einem falschen Signal führen könnte.“
Auge auf den Himmel
Das Herzstück von SPHEREx ist natürlich sein Teleskop, das mithilfe von drei Spiegeln und sechs Detektoren Infrarotlicht von entfernten Quellen sammelt. Das Teleskop ist auf seiner Basis geneigt, sodass es so viel wie möglich vom Himmel sehen kann, während es im Schutz der Photonenschilde bleibt.
Das von Ball Aerospace in Boulder, Colorado, gebaute Teleskop kam im Mai am Caltech in Pasadena, Kalifornien, an, wo es mit den Detektoren und dem V-Nut-Strahler integriert wurde. Dann befestigten Ingenieure am JPL es an einem Vibrationstisch, der die Erschütterungen simuliert, denen das Teleskop auf dem Raketenflug ins All ausgesetzt sein wird. Danach ging es zurück zum Caltech, wo Wissenschaftler bestätigten, dass seine Spiegel nach den Vibrationstests immer noch scharf sind.
Die Infrarot-„Vision“ von SPHEREx
Die Spiegel im Inneren des SPHEREx-Teleskops sammeln Licht von entfernten Objekten, aber es sind die Detektoren, die die Infrarotwellenlängen „sehen“ können, die die Mission zu beobachten versucht.
Ein Stern wie unsere Sonne strahlt den gesamten Bereich der sichtbaren Wellenlängen aus, daher ist er weiß (obwohl er aufgrund der Erdatmosphäre für unsere Augen eher gelb aussieht). Ein Prisma kann dieses Licht in seine einzelnen Wellenlängen zerlegen – einen Regenbogen. Dies nennt man Spektroskopie.
SPHEREx wird zur Durchführung der Spektroskopie Filter verwenden, die auf seinen Detektoren installiert sind. Jeder Filter ist nur etwa so groß wie ein Cracker, erscheint mit bloßem Auge schillernd und verfügt über mehrere Segmente, um alle bis auf eine bestimmte Wellenlänge des Infrarotlichts zu blockieren. Jedes von SPHEREx beobachtete Objekt wird von jedem Segment abgebildet, sodass Wissenschaftler die spezifischen Infrarotwellenlängen sehen können, die von diesem Objekt emittiert werden, unabhängig davon, ob es sich um einen Stern oder eine Galaxie handelt. Insgesamt kann das Teleskop mehr als 100 verschiedene Wellenlängen beobachten.
Und daraus wird SPHEREx Karten des Universums erstellen, wie es sie noch nie gab.