Ingenieure und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) entwickelten unter der Leitung von Oliver Krause entscheidende optische Elemente für das Koronagraphen-Instrument (CGI) des Roman-Weltraumteleskops und lieferten sie an das Jet Propulsion Laboratory (JPL) in den USA.
Das vollständig montierte und getestete CGI ist vor Kurzem im Goddard Space Flight Center (GSFC) der NASA eingetroffen, wo es in das Teleskop integriert wird. Das CGI wird ein innovatives Kameradesign testen, das die direkte Abbildung und Spektroskopie von Exoplaneten in engen Umlaufbahnen um entfernte Sterne ermöglicht. Dieses Design birgt das Potenzial für die erste direkte Entdeckung einer zweiten Erde.
Das Nancy Grace Roman Space Telescope (ehemals WFIRST) wird seit etwa einem Jahrzehnt unter der Leitung der NASA entwickelt. Der Durchmesser des Hauptspiegels beträgt 2,4 Meter und ist eine Kopie des Hauptspiegels des Hubble-Weltraumteleskops.
Das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg baute die entscheidenden optomechanischen Komponenten für eines der beiden wissenschaftlichen Instrumente, das Coronagraph Instrument (CGI). Das CGI ist eine Technologiestudie, die ein neues Messkonzept zur Erkennung von Exoplaneten durch direkte Bildgebung testet.
Wenn es wie erwartet gelingt, Gasplaneten ähnlich dem Jupiter in der Nähe ihres Muttersterns zuverlässig in Form eines Lichtpunkts abzubilden, könnte die Technik dazu verwendet werden, mit zukünftigen Weltraumteleskopen Gesteinsplaneten wie die Erde zu erkennen und zu untersuchen.
Beitrag des MPIA zum CGI
Das MPIA entwarf und fertigte sechs Flugmodelle und weitere sechs Konstruktionsmodelle der Präzisionsausrichtungsmechanismen (Precision Alignment Mechanisms, PAM). Diese Mechanismen, die optische Komponenten wie Spiegel und Filter des CGI während der Beobachtungen ausrichten und stabilisieren, wurden in den Werkstätten und Laboren des MPIA sorgfältig gefertigt und strengen Tests unterzogen. Die Firma von Hoerner & Sulger aus der benachbarten Stadt Schwetzingen unterstützte das Unternehmen während der Konstruktionsphase.
Diese CGI-Kernelemente liefern Oliver Krause, Leiter der Forschungsgruppe Infrarot-Weltraumastronomie, und sein Team seit Frühjahr 2022 sukzessive an das Jet Propulsion Laboratory (JPL) am California Institute of Technology (CalTech) in Pasadena, USA. Das JPL ist Teil der NASA und an der technischen Entwicklung von Raumsonden beteiligt.
Das MPIA ist im CGI-Projekt direkter Partner von NASA und JPL. Vor allem die herausragenden Leistungen bei der Entwicklung und Herstellung der Mechanismen von NIRSpec und MIRI, den zentralen Instrumenten des James-Webb-Weltraumteleskops, beeindruckten NASA und JPL. NIRSpec und MIRI liefern seit Mitte 2022 spektakuläre Bilder und Daten.
Die PAM-Flugmodelle wurden bereits im CGI installiert und für den Weltraumflug ausgiebig getestet. Die identischen Ingenieurmodelle werden verwendet, um die Spezifikationen am Boden zu überprüfen. Dazu gehört ein Lebensmodell, das bereits über 27.000 Bewegungen ausgeführt hat, etwa die doppelte Belastung eines Flugmodells während der Bodentests und der Mission im Weltraum.
Ein weiterer Meilenstein war die Lieferung des CGI an das Goddard Space Flight Center der NASA am 19. Mai 2024. Das Instrument wird in das Teleskop eingebaut und weiteren umfangreichen Funktions- und Belastungstests unterzogen.
Ein Kameradesign für die Suche nach einer zweiten Erde
Das CGI kombiniert erstmals zwei gängige Beobachtungstechniken für den Einsatz im Weltraum: Koronagrafie und adaptive Optik. Astronomen verwenden Koronagrafen, um helle Objekte mit speziellen Masken auszublenden und so schwächer leuchtende Himmelskörper in ihrer Nähe sichtbar zu machen.
Mit dieser Methode war es bereits möglich, Exoplaneten durch direkte Abbildung zu entdecken. Allerdings verursachen die Masken oft erhebliche Bildartefakte um die ausgeblendeten Sterne herum. Jeder potentielle Exoplanet, der das Licht seines Muttersterns reflektiert, kann daher nur in relativ großen Entfernungen zuverlässig nachgewiesen werden.
Daher verwenden Astronomen diese Methode fast ausschließlich, um riesige Gasplaneten ähnlich dem Jupiter auf weiten Umlaufbahnen um ihre Muttersterne zu finden.
Die Reduzierung dieser Artefakte ist für die Suche nach kleineren Planeten mit engeren Umlaufbahnen unerlässlich. Daher ist das CGI auch mit einer adaptiven Optik ausgestattet, die einen höheren Helligkeitskontrast zwischen Stern und Planet ermöglicht. Diese Technologie hilft normalerweise dabei, Störungen in Bildern erdgebundener Teleskope zu reduzieren, die durch die turbulente Erdatmosphäre verursacht werden.
Für das CGI mildert diese Technologie die verzerrenden Effekte des optischen Systems des Teleskops. Die dafür erforderliche Rechenleistung stellt allerdings eine neue Herausforderung für Weltraumkameras dar. Insgesamt dürften die Wissenschaftler in der Lage sein, Exoplaneten so nah an ihren hellen Muttersternen zu erkennen wie nie zuvor, sichtbar als heller Lichtpunkt im Bild.
Das CGI soll einen Planeten identifizieren, dessen naher Mutterstern eine Milliarde Mal heller ist, was etwa dem Kontrast zwischen Jupiter und Sonne entspricht. Gegenüber heutigen Möglichkeiten entspricht das einer Verbesserung um bis zu einem Faktor Tausend. Ein eingebauter Spektrograf soll dann die Erforschung der Atmosphärenzusammensetzung dieser Planeten erleichtern.
Technologie mit höchster Präzision
Um dies zu erreichen, müssen die vom MPIA hergestellten PAMs eine extrem hohe Genauigkeit und Stabilität bei der Positionierung der optischen Elemente wie Filter, Koronographen und Spiegel über mehrere Stunden hinweg gewährleisten.
Während des Betriebs dürfen sich die PAMs innerhalb von acht Stunden nicht um mehr als 40 Millibogensekunden neigen (3,6 Millionen Millibogensekunden ergeben ein Grad). Diese Einschränkung entspricht einem Winkel, der es ermöglichen würde, von Heidelberg aus die Körpergröße einer Person in Los Angeles wahrzunehmen.
Diese Anforderungen und die Komplexität des CGI machen es zum aufwändigsten und teuersten wissenschaftlichen Instrument, das jemals im Weltraum stationiert wurde. Wenn die ersten Tests im Weltraum erfolgreich verlaufen, wird das CGI Astronomen zur Erforschung von Exoplaneten zur Verfügung stehen.
Eine Blaupause für künftige Generationen
Wenn die CGI-Mission erfolgreich ist, könnte eine Optimierung der Technik diese für zukünftige Weltraumteleskope wie das Habitable Worlds Observatory qualifizieren. Die direkte Abbildung einer zweiten Erde wäre dann in greifbare Nähe gerückt.
Das Roman-Weltraumteleskop, zunächst WFIRST (Wide-Field Infrared Survey Telescope) genannt, ist nach der Astronomin Nancy Grace Roman benannt, die jahrzehntelang die astronomischen Forschungsprogramme der NASA leitete. Unter anderem war sie für die wissenschaftliche Planung des Hubble-Weltraumteleskops verantwortlich. Der Start des Roman-Teleskops ist für 2027 geplant.