Wissenschaftler und Ingenieure sind bereit, eine Infrarotmission namens EXCITE (EXoplanet Climate Infrared TElescope) bis an den Rand des Weltraums zu fliegen.
ERREGEN wurde entwickelt, um Atmosphären um Exoplaneten oder Welten außerhalb unseres Sonnensystems während zirkumpolarer wissenschaftlicher Langzeitballonflüge zu untersuchen. Aber zuerst muss es einen Testflug absolvieren während NASAs wissenschaftliche Ballonkampagne im Herbst 2024 aus Fort Sumner, New Mexico.
„EXCITE kann uns ein dreidimensionales Bild der Atmosphäre und Temperatur eines Planeten liefern, indem es während der gesamten Zeit, in der der Planet seinen Stern umkreist, Daten sammelt“, sagte Peter Nagler, der leitende Forscher der Mission am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland.
„Bislang wurden nur wenige Messungen dieser Art durchgeführt. Sie erfordern ein sehr stabiles Teleskop, das in der Lage ist, einen Planeten mehrere Tage lang zu verfolgen.“
EXCITE wird heiße Jupiter untersuchen, riesige Gasplaneten, die alle ein bis zwei Tage eine Umlaufbahn absolvieren und Temperaturen von mehreren Tausend Grad aufweisen. Die Welten sind gezeitengebunden, was bedeutet, dass dem Stern immer dieselbe Seite zugewandt ist.
Das Teleskop wird beobachten, wie sich die Wärme auf dem Planeten verteilt, von der glühend heißen Hemisphäre, die dem Stern zugewandt ist, bis hin zur relativ kühleren Nachtseite.
Außerdem wird ermittelt, wie Moleküle in der Atmosphäre eines Planeten während der gesamten Umlaufbahn Licht absorbieren und abgeben. Dieser Vorgang wird als phasenaufgelöste Spektroskopie bezeichnet. Diese Daten können nicht nur die Anwesenheit von Verbindungen wie Wasser, Methan, Kohlendioxid und anderen aufdecken, sondern auch, wie diese global zirkulieren, während der Planet seinen Stern umkreist.
Die Weltraumteleskope Hubble, James Webb und Spitzer der NASA haben zusammen eine Handvoll solcher Messungen gesammelt.
Im Jahr 2014 beobachteten Hubble und Spitzer beispielsweise einen Exoplaneten namens WASP-43 b. Um Daten über den 22-Stunden-Tag der Erde zu sammeln, brauchten die Wissenschaftler 60 Stunden Hubble-Zeit und 46 Stunden Spitzer-Zeit. Ressourcenintensive Studien wie diese an weltraumgestützten Observatorien sind schwierig. Zeit ist eine begrenzte Ressource, und Studien müssen mit Hunderten anderer Anfragen um diese Zeit konkurrieren.
„Bei seinem ersten wissenschaftlichen Flug wird EXCITE voraussichtlich über zwölf Tage vom Standort der Columbia Scientific Balloon Facility in der Antarktis aus fliegen“, sagte Kyle Helson, Mitglied des EXCITE-Teams und Wissenschaftler an der University of Maryland, Baltimore County und NASA Goddard.
„Und am Pol gehen die Sterne, die wir untersuchen, nicht unter, sodass unsere Beobachtungen nicht unterbrochen werden. Wir hoffen, dass die Mission die Anzahl der phasenaufgelösten Spektren, die der Wissenschaftsgemeinschaft zur Verfügung stehen, effektiv verdoppeln wird.“
EXCITE wird in einem mit Helium gefüllten Forschungsballon auf eine Höhe von etwa 40 Kilometern fliegen. Damit erreicht es 99,5 Prozent der Erdatmosphäre. In dieser Höhe kann das Teleskop mehrere Infrarotwellenlängen mit geringen Störungen beobachten.
„Das Teleskop sammelt das Infrarotlicht und strahlt es in das Spektrometer, wo es eine Art kleinen Hindernisparcours durchläuft“, sagte Lee Bernard, Mitglied des EXCITE-Teams und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Arizona State University in Tempe.
„Es prallt von Spiegeln ab und wird durch ein Prisma geleitet, bevor es den Detektor erreicht. Alles muss sehr präzise ausgerichtet sein – nur ein paar Millimeter von der Mitte entfernt und das Licht kommt nicht durch.“
Das Spektrometer befindet sich in einem Behälter, der als Kryostat bezeichnet wird und sich hinter dem Teleskop befindet. Der Kryostat kühlt den Detektor des Spektrometers – einst ein Flugkandidat von WebbsNIRSpec (Nahinfrarot-Spektrograph)— auf etwa 350 Grad Fahrenheit unter Null (minus 210 Grad Celsius), sodass es winzige Intensitätsänderungen im Infrarotlicht messen kann.
Die gesamte Teleskop- und Kryostat-Baugruppe ruht auf einer ruderbootförmigen Basis, wo sie sich um drei Achsen drehen kann, um eine stabile Ausrichtung bis auf 50 Millibogensekunden beizubehalten. Das ist, als ob man aus 65 Meilen Entfernung einen festen Blick auf eine US-Viertelmünze werfen würde.
„Mehrere verschiedene Institutionen haben zu den Subsystemen von EXCITE beigetragen“, sagte Tim Rehm, Mitglied des EXCITE-Teams und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Brown University in Providence, Rhode Island. „Es ist großartig, sie alle zusammengebaut und zusammenarbeitend zu sehen. Wir sind gespannt auf diesen Testflug und freuen uns auf alle zukünftigen Wissenschaftsflüge, die wir hoffentlich durchführen werden.“
Das EXCITE-Instrument wurde hauptsächlich von NASA Goddard, Brown, der Arizona State University und StarSpec Technologies in Ontario gebaut, mit zusätzlicher Unterstützung von Partnern in den USA, Kanada, Italien und dem Vereinigten Königreich.
Die Forschungsballons der NASA ermöglichen häufigen und kostengünstigen Zugang zum erdnahen Weltraum, um wissenschaftliche Untersuchungen durchzuführen und Technologien in Bereichen wie Astrophysik, Heliophysik und Atmosphärenforschung weiterzuentwickeln. Darüber hinaus dienen sie der Ausbildung der nächsten Generation führender Ingenieure und Wissenschaftler.
Weitere Informationen:
Um die Missionen der Fort Sumner-Herbstkampagne 2024 zu verfolgen, besuchen Sie die CSBF (Columbia Scientific Balloon Facility) der NASA. Webseite für Echtzeit-Updates der Flughöhe und des GPS-Standorts eines Ballons während des Fluges.