Das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA, das sich derzeit im Bau befindet, wird neue Technologien für die weltraumgestützte Planetenjagd testen. Die Mission zielt darauf ab, Welten und staubige Scheiben um nahe Sterne mit bis zu tausendmal besserer Detailtreue zu fotografieren, als dies mit anderen Observatorien möglich wäre.
Roman wird sein Coronagraph-Instrument verwenden – ein System aus Masken, Prismen, Detektoren und sogar selbstbiegenden Spiegeln, die gebaut wurden, um die Blendung entfernter Sterne zu blockieren und die Planeten in ihrer Umlaufbahn sichtbar zu machen – um zu demonstrieren, dass direkte Bildgebungstechnologien noch bessere Leistungen erbringen können im Weltraum als mit bodengestützten Teleskopen.
„Wir werden mit dem Roman Coronagraph Welten im sichtbaren Licht abbilden können“, sagte Rob Zellem, ein Astronom am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Südkalifornien, der den Beobachtungskalibrierungsplan für das Instrument mitleitet. Das JPL baut Romans Coronagraph Instrument. „Wenn wir dies aus dem Weltraum tun, können wir kleinere, ältere und kältere Planeten sehen, als die direkte Bildgebung normalerweise zeigt, und uns der Abbildung von Planeten wie der Erde einen großen Schritt näher bringen.“
Ein Zuhause fern der Heimat
Exoplaneten – Planeten außerhalb unseres Sonnensystems – sind relativ zu ihren Wirtssternen so weit entfernt und dunkel, dass sie selbst für leistungsstarke Teleskope praktisch unsichtbar sind. Aus diesem Grund wurden fast alle bisher entdeckten Welten indirekt durch ihre Auswirkungen auf ihre Wirtssterne gefunden. Jüngste Fortschritte in der Technologie ermöglichen es Astronomen jedoch, tatsächlich Bilder des reflektierten Lichts von den Planeten selbst aufzunehmen.
Die Analyse der Farben von Planetenatmosphären hilft Astronomen herauszufinden, woraus die Atmosphären bestehen. Dies wiederum kann Hinweise auf die Prozesse liefern, die auf den abgebildeten Welten ablaufen und ihre Bewohnbarkeit beeinflussen können. Da Lebewesen ihre Umgebung auf eine Weise verändern, die wir möglicherweise erkennen können, beispielsweise durch die Produktion von Sauerstoff oder Methan, hoffen Wissenschaftler, dass diese Forschung den Weg für zukünftige Missionen ebnen wird, die Lebenszeichen enthüllen könnten.
Wenn das Coronagraph-Instrument von Roman seine Technologiedemonstrationsphase erfolgreich abschließt, wird sein Polarimetriemodus es Astronomen ermöglichen, die Scheiben um Sterne in polarisiertem Licht abzubilden, das vielen als reflektierte Blendung bekannt ist, die von polarisierten Sonnenbrillen blockiert wird. Astronomen werden polarisierte Bilder verwenden, um die Staubkörner zu untersuchen, aus denen die Scheiben um Sterne bestehen, einschließlich ihrer Größe, Form und möglicherweise mineralischen Eigenschaften. Roman kann möglicherweise sogar Strukturen in den Scheiben aufdecken, wie zum Beispiel Lücken, die von unsichtbaren Planeten geschaffen wurden. Diese Messungen werden vorhandene Daten ergänzen, indem sie schwächere Staubscheiben untersuchen, die näher an ihren Wirtssternen kreisen, als andere Teleskope sehen können.
Schließung der Lücke
Gegenwärtige Bemühungen zur direkten Bildgebung sind auf riesige, helle Planeten beschränkt. Diese Welten sind in der Regel Super-Jupiter, die weniger als 100 Millionen Jahre alt sind – so jung, dass sie dank der bei ihrer Entstehung verbleibenden Wärme hell leuchten, wodurch sie im Infrarotlicht erkennbar sind. Sie neigen auch dazu, sehr weit von ihren Wirtssternen entfernt zu sein, weil es einfacher ist, das Licht des Sterns zu blockieren und Planeten in weiter entfernten Umlaufbahnen zu sehen. Laut einer Studie eines Wissenschaftlerteams könnte der Roman Coronagraph die Infrarotbeobachtungen anderer Teleskope ergänzen, indem er erstmals junge Superjupiter im sichtbaren Licht abbildet.
Aber Astronomen würden gerne eines Tages auch Planeten direkt abbilden, die unseren eigenen ähneln – felsige, erdgroße Planeten, die sonnenähnliche Sterne in ihren bewohnbaren Zonen umkreisen, dem Bereich von Umlaufbahnentfernungen, in denen die Temperaturen flüssiges Wasser auf der Oberfläche eines Planeten zulassen . Dazu müssen Astronomen in der Lage sein, kleinere, kühlere, dunklere Planeten zu sehen, die ihre Wirtssterne viel näher umkreisen, als dies mit aktuellen Teleskopen möglich ist. Durch das Fotografieren von Welten im sichtbaren Licht wird Roman in der Lage sein, reife Planeten mit einem Alter von bis zu mehreren Milliarden Jahren abzubilden – etwas, das noch nie zuvor gemacht wurde.
„Um erdähnliche Planeten abzubilden, brauchen wir eine 10.000-mal bessere Leistung, als die heutigen Instrumente bieten“, sagte Vanessa Bailey, Astronomin am JPL und Instrumententechnologin für den Roman Coronagraph. „Das Coronagraph-Instrument wird mehrere hundert Mal besser abschneiden als aktuelle Instrumente, sodass wir jupiterähnliche Planeten sehen können, die mehr als 100 Millionen Mal schwächer sind als ihre Wirtssterne.“
Ein Team von Wissenschaftlern simulierte kürzlich ein vielversprechendes Ziel für Roman, um es abzubilden, namens Ypsilon Andromedae d. „Dieser Gasriesen-Exoplanet ist etwas größer als Jupiter, umkreist innerhalb der bewohnbaren Zone eines sonnenähnlichen Sterns und ist relativ nah an der Erde – nur 44 Lichtjahre entfernt“, sagte Prabal Saxena, wissenschaftlicher Assistent an der University of Maryland. College Park und dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und der Hauptautor eines Artikels, der die Ergebnisse beschreibt. „Was wirklich aufregend ist, ist, dass Roman uns möglicherweise helfen kann, Dunst und Wolken in der Atmosphäre von Ypsilon Andromedae d zu erforschen, und vielleicht sogar als planetarisches Thermometer fungieren kann, indem er die Innentemperatur des Planeten einschränkt!“
Eine neue Grenze öffnen
Das Coronagraph-Instrument wird mehrere hochmoderne Komponenten enthalten, die noch nie zuvor an Bord eines weltraumgestützten Observatoriums geflogen sind. Zum Beispiel wird es speziell entwickelte Koronographenmasken verwenden, um die Blendung von Wirtssternen zu blockieren, aber das Licht von schwächeren, umlaufenden Planeten durchzulassen. Diese Masken haben innovative, komplexe Formen, die das Sternenlicht effektiver blockieren als herkömmliche Masken.
Der Roman Coronagraph wird außerdem mit verformbaren Spiegeln ausgestattet sein, die dazu beitragen, kleinen Mängeln entgegenzuwirken, die die Bildqualität beeinträchtigen. Diese speziellen Spiegel messen und subtrahieren das Sternenlicht in Echtzeit, und Techniker am Boden können auch Befehle an das Raumschiff senden, um sie anzupassen. Dies hilft, Effekten wie Temperaturänderungen entgegenzuwirken, die die Form der Optik leicht verändern können.
Mit dieser Technologie wird Roman Planeten beobachten, die so schwach sind, dass spezielle Detektoren einzelne Lichtphotonen zählen, wenn sie im Abstand von Sekunden oder sogar Minuten ankommen. Kein anderes Observatorium hat zuvor diese Art von Bildgebung im sichtbaren Licht durchgeführt, was einen entscheidenden Schritt zur Entdeckung bewohnbarer Planeten und möglicherweise zur Erkenntnis, ob wir allein im Universum sind, darstellt.
Die erwähnten Studien wurden in veröffentlicht Das Astrophysikalische Journal und Das Astronomische Journal.
Brianna Lacy et al, Aussichten für die direkte Abbildung junger Riesenplaneten bei optischen Wellenlängen, Das Astrophysikalische Journal (2020). DOI: 10.3847/1538-4357/ab7017
Prabal Saxena et al, Simulation von Exoplanetenspektren mit reflektiertem Licht des vielversprechenden Ziels für direkte Bildgebung, υ Andromedae d, mit einer neuen, schnellen Abtastmethode unter Verwendung des Generators für planetare Spektren, Das Astronomische Journal (2021). DOI: 10.3847/1538-3881/abf657