Das ARRAKIHS-Konsortium, für das die EPFL die wissenschaftliche Leitung innehat, hat gerade die Überprüfung der Missionsdefinition des Projekts erfolgreich bestanden, ein sehr wichtiger erster Meilenstein auf dem Weg zum vollständigen Abschluss der Missionsvorbereitung. ARRAKIHS ist ein Satellit, der von der ESA zur Erforschung der Natur der Dunklen Materie ausgewählt wurde und im Jahr 2030 gestartet werden soll.
Wenn Sie den Nachthimmel betrachten, zeugen einige der Sterne von frühen Entstehungsstadien des Universums und können zu den ersten kleinen Galaxien gehören, die entstanden sind. Diese Strukturen sind am Nachthimmel extrem schwach und nach unserem aktuellen Verständnis werden sie auch von Dunkler Materie dominiert.
Dunkle Materie ist Materie, die gravitativ entdeckt wurde, aber unsichtbar ist. Die Identifizierung und Charakterisierung dieser Strukturen erfordert spezifische und gezielte Beobachtungsstrategien. Im nächsten Jahrzehnt wird die zweite „F“-Weltraummission der ESA namens ARRAKIHS nach diesen sehr schwachen Strukturen suchen, da sie der Schlüssel zur Erforschung der Natur der Dunklen Materie sind.
„Die ESA nennt es eine F-Mission, wobei F für schnell steht“, sagt Pascale Jablonka vom LASTRO der EPFL, die auch die wissenschaftliche Komponente von ARRAKIHS leitet. Um als F-Klasse-Mission zu gelten, muss ARRAKIHS eine Reihe von Randbedingungen erfüllen: Die Gesamtkosten für die ESA, einschließlich des Betriebs, betragen weniger als 175 Mio. Euro. dass die Mission eigenständig ist und von der ESA geleitet wird; dass die Mission nach einem Design-to-Cost-Ansatz entwickelt wird und dass die Gesamtentwicklungszeit von der Missionsauswahl im November 2022 bis zum Start weniger als acht Jahre betragen muss.
Die Mitglieder des europäischen Konsortiums ARRAKIHS, das 2022 von der ESA als zweite F-Mission ausgewählt wurde und von Spanien mit einer sehr starken Komponente aus der Schweiz geleitet wird, haben im vergangenen Jahr zusammengearbeitet, um die erste Phase der Missionsstudie, Phase genannt, abzuschließen null. Am 27. September hat ARRAKIHS seinen ersten Meilenstein, die „Mission Design Review“, erreicht und dem ARRAKIHS-Konsortium und dem ESA-Studienteam grünes Licht gegeben, mit den nächsten Phasen des Projekts fortzufahren.
„Wir sind sehr aufgeregt. Es ist ein glücklicher und emotionaler Moment, diese erste Phase hinter uns zu haben. Das bedeutet, dass die Mission nun konkret bewertet wird. Wir treten in eine noch aktivere Phase des Projekts ein, für die wir Unterstützung von den nationalen Agenturen benötigen.“ „, erklärt Jablonka.
In den nächsten zweieinhalb Jahren wird das Missionskonsortium gemeinsam mit der ESA und der Industrie an der nächsten Studienphase arbeiten – der sogenannten Missionsdefinition oder Phase A/B – die die Definition aller Aspekte der Mission umfasst, einschließlich Wissenschaft, das wissenschaftliche Instrument, das Raumschiff und der Betrieb. Diese detaillierte Studie zur Durchführbarkeit der Mission wird in einer Überprüfung durch Teams unabhängiger Wissenschaftler und Ingenieure gipfeln. Im Erfolgsfall wird die ESA dann ihrem Wissenschaftsprogrammausschuss (bestehend aus Delegierten aller ESA-Mitgliedstaaten) eine Empfehlung vorlegen, ARRAKIHS zu übernehmen und die Umsetzung voranzutreiben.
Mit ARRAKIHS das Unsichtbare enthüllen
Nach dem aktuellen kosmologischen Standardmodell, in dem die Gravitation durch Einsteins Theorie bestimmt wird, besteht das Universum zu 27 % aus dunkler Materie und zu 68 % aus dunkler Energie, und nur die restlichen 5 % sind die gewöhnliche Materie, wie wir sie kennen und sehen Planeten und Sterne.
Der Name ARRAKIHS (Akronym für „Analysis of Resolved Remnants of Accreted galaxies as a Key Instrument for Halo Surveys“) spielt auf den Science-Fiction-Planeten im Roman „Dune“ an, aber anstatt nach „Gewürz“ zu suchen, wird es dieser Satellit mit niedriger Erdumlaufbahn sein auf der Suche nach einem der dunkelsten Geheimnisse der modernen Physik. Was ist die Natur der Dunklen Materie? Ist es heiß oder kalt? Handelt es sich um eine Selbstinteraktion?
Theoretische Studien haben gezeigt, dass die Signatur der Natur der Dunklen Materie in der Anzahl schwacher Zwergsysteme um massereiche Galaxien wie unserer eigenen und in den Sternströmen in ihren Halos eingeprägt ist. ARRAKIHS wird daher 75 solcher Milchstraßen-Analoge ins Visier nehmen. Aber diese Analoga sind am Nachthimmel so schwach, dass es wichtig ist, sie aus dem Weltraum, fernab der Erdatmosphäre, zu beobachten.
Mit Hilfe einer sehr effizienten Bildgebungstechnologie werden die Wissenschaftler die Merkmale des stellaren Halos enthüllen und charakterisieren, was angesichts der Helligkeit der astrophysikalischen Strukturen eine technische Herausforderung darstellt. Die Idee besteht darin, diese Beobachtungen dann mit verschiedenen Dunkle-Energie-Modellen und deren Vorhersagen zu vergleichen. Jede Galaxie wird insgesamt 150 Stunden lang beobachtet und ihre Halostrukturen bis ins kleinste Detail entschlüsselt.
„Die Mission ist für mich und meine Mitarbeiter besonders spannend, da sie viele Bereiche unserer Forschungsinteressen zusammenbringt, wie dunkle Materie und Galaxienentwicklung, aber auch Bildverarbeitung und numerische Simulationen“, fährt Jablonka fort, den sich zur Astrophysik hingezogen fühlte, weil „sie verbindet.“ herausragende Schönheit und grundlegende Fragen zur Entstehung und Entwicklung physikalischer Systeme.“