Eine neue Höhenforschungsraketenmission ist auf dem Weg ins All, um zu verstehen, wie explosiver Sterntod den Grundstein für neue Sternensysteme legt. Das Integral Field Ultraviolet Spectroscopic Experiment oder INFUSE, eine Höhenforschungsraketenmission, wird am 29. Oktober 2023 um 21:35 Uhr MDT von der White Sands Missile Range in New Mexico aus starten.
Für einige Monate im Jahr schwebt das Sternbild Cygnus (lateinisch für „Schwan“) über den Nachthimmel der nördlichen Hemisphäre. Direkt über seinem Flügel befindet sich ein beliebtes Ziel für Hinterhofastronomen und professionelle Wissenschaftler: der Cygnus Loop, auch bekannt als Schleiernebel.
Der Cygnus Loop ist der Überrest eines Sterns, der einst 20-mal so groß wie unsere Sonne war. Vor etwa 20.000 Jahren kollabierte dieser Stern unter seiner eigenen Schwerkraft und brach in einer Supernova aus. Selbst aus einer Entfernung von 2.600 Lichtjahren wäre der Lichtblitz nach Schätzungen von Astronomen hell genug gewesen, um ihn tagsüber von der Erde aus zu sehen.
Supernovae sind Teil eines großen Lebenszyklus. Sie versprühen im Kern eines Sterns geschmiedete Schwermetalle in die umgebenden Staub- und Gaswolken. Sie sind die Quelle aller chemischen Elemente in unserem Universum, die schwerer als Eisen sind, einschließlich derjenigen, aus denen unser eigener Körper besteht. Aus den aufgewühlten Wolken und Sternenmaterial, die sie hinterlassen, verklumpen nach und nach Gase und Staub von Supernovae und bilden Planeten, Sterne und neue Sternsysteme.
„Supernovae wie die, die die Cygnus-Schleife erzeugt hat, haben einen großen Einfluss darauf, wie Galaxien entstehen“, sagte Brian Fleming, Forschungsprofessor an der University of Colorado Boulder und Hauptforscher der INFUSE-Mission.
Der Cygnus Loop bietet einen seltenen Einblick in eine noch laufende Supernova-Explosion. Die massive Wolke hat bereits einen Durchmesser von über 120 Lichtjahren und dehnt sich auch heute noch mit einer Geschwindigkeit von etwa 930.000 Meilen pro Stunde (etwa 1,5 Millionen Kilometer pro Stunde) aus.
Was unsere Teleskope vom Cygnus Loop einfangen, ist nicht die Supernova-Explosion selbst. Stattdessen sehen wir Staub und Gas, die durch die Schockfront überhitzt werden und beim Abkühlen glühen.
„INFUSE wird beobachten, wie die Supernova Energie in die Milchstraße abgibt, indem sie Licht einfängt, das gerade dann abgegeben wird, wenn die Druckwelle auf Taschen aus kaltem Gas trifft, die um die Galaxie herum schweben“, sagte Fleming.
Um diese Schockfront an ihrem heißen Rand zu sehen, haben Fleming und sein Team ein Teleskop entwickelt, das Licht im fernen Ultraviolett misst – eine Art Licht, das zu energiereich ist, als dass unsere Augen es sehen könnten. Dieses Licht zeigt Gas mit Temperaturen zwischen 90.000 und 540.000 Grad Fahrenheit (etwa 50.000 bis 300.000 Grad Celsius), das nach dem Aufprall immer noch brutzelt.
INFUSE ist ein Integralfeldspektrograph, das erste Instrument seiner Art, das ins All fliegt. Das Instrument vereint die Stärken zweier Arten der Lichtuntersuchung: Bildgebung und Spektroskopie. Ihre typischen Teleskope verfügen über Kameras, die hervorragende Bilder erzeugen – sie zeigen, woher das Licht kommt, und offenbaren seine räumliche Anordnung getreu. Aber Teleskope zerlegen das Licht nicht in verschiedene Wellenlängen oder „Farben“ – stattdessen überlappen sich alle verschiedenen Wellenlängen im resultierenden Bild.
SpektroskopieAndererseits nimmt es einen einzelnen Lichtstrahl und zerlegt ihn in seine einzelnen Wellenlängen oder sein Spektrum, ähnlich wie ein Prisma Licht in einen Regenbogen zerlegt. Dieses Verfahren liefert alle möglichen Informationen darüber, woraus die Lichtquelle besteht, welche Temperatur sie hat und wie sie sich bewegt. Allerdings kann die Spektroskopie jeweils nur einen einzelnen Lichtstrahl betrachten. Es ist, als würde man durch ein schmales Schlüsselloch in den Nachthimmel blicken.
Das INFUSE-Instrument erfasst ein Bild und „schneidet“ es dann in Scheiben, sodass die Scheiben zu einem riesigen „Schlüsselloch“ ausgerichtet werden. Das Spektrometer kann dann jede der Scheiben in sein Spektrum aufteilen. Diese Daten können zu einem dreidimensionalen Bild zusammengesetzt werden, das Wissenschaftler als „Datenwürfel“ bezeichnen – wie ein Stapel von Bildern, bei dem jede Schicht eine bestimmte Lichtwellenlänge offenbart.
Mithilfe der Daten von INFUSE werden Fleming und sein Team nicht nur bestimmte Elemente und ihre Temperaturen identifizieren, sondern auch sehen, wo diese verschiedenen Elemente entlang der Schockfront liegen.
„Es ist ein sehr spannendes Projekt, Teil davon zu sein“, sagte die leitende Doktorandin Emily Witt, ebenfalls an der CU Boulder, die den Großteil der Montage und Tests von INFUSE leitete und die Datenanalyse leiten wird. „Mit diesen einzigartigen Messungen werden wir besser verstehen, wie sich diese Elemente der Supernova mit der sie umgebenden Umgebung vermischen. Das ist ein großer Schritt hin zum Verständnis, wie Material aus Supernovas Teil von Planeten wie der Erde und sogar von Menschen wie uns wird.“ .“
Um ins All zu gelangen, wird die INFUSE-Nutzlast an Bord einer Höhenforschungsrakete fliegen. Diese flinken Raketen ohne Besatzung starten für ein paar Minuten zur Datenerfassung ins All, bevor sie wieder auf den Boden fallen. Die INFUSE-Nutzlast wird an Bord einer zweistufigen Höhenforschungsrakete vom Typ Black Brant 9 fliegen und eine Spitzenhöhe von etwa 150 Meilen (240 Kilometer) anstreben, wo sie ihre Beobachtungen durchführen wird, bevor sie mit dem Fallschirm zurück zum Boden springt, um geborgen zu werden. Das Team hofft, das Instrument zu aktualisieren und erneut zu starten. Tatsächlich wurden Teile der INFUSE-Rakete selbst aus der DEUCE-Mission übernommen aus Australien gestartet im Jahr 2022.