Das Roman Coronagraph Instrument am Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA wird dazu beitragen, den Weg für die Suche nach bewohnbaren Welten außerhalb unseres Sonnensystems zu ebnen, indem es neue Werkzeuge testet, die das Sternenlicht blockieren und Planeten sichtbar machen, die im Glanz ihrer Muttersterne verborgen sind. Die Technologiedemonstration wurde kürzlich vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien zum Goddard Space Flight Center der Agentur in Greenbelt, Maryland, verschifft, wo sie sich dem Rest des Weltraumobservatoriums angeschlossen hat, um den Start im Mai 2027 vorzubereiten.
Vor seiner Reise quer durchs Land durchlief der römische Coronagraph den bislang umfassendsten Test seiner Fähigkeit, Sternenlicht zu blockieren – was Ingenieure als „das Graben des dunklen Lochs“ bezeichnen. Im Weltraum wird dieser Prozess es Astronomen ermöglichen, das Licht von Planeten um andere Sterne, sogenannten Exoplaneten, direkt zu beobachten. Sobald ähnliche Technologien auf Roman demonstriert wurden, könnten sie es Astronomen bei einer zukünftigen Mission ermöglichen, dieses Licht zu nutzen, um Chemikalien in der Atmosphäre eines Exoplaneten zu identifizieren, einschließlich solcher, die möglicherweise auf die Anwesenheit von Leben hinweisen.
Das Roman Coronagraph Instrument an Bord des Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA wird es Wissenschaftlern ermöglichen, Planeten um andere Sterne direkt abzubilden. Als leistungsfähigster Koronograph, der jemals im Weltraum geflogen ist, wird es neue Technologien demonstrieren, die bei zukünftigen Missionen wie dem von der NASA vorgeschlagenen Habitable Worlds Observatory zum Einsatz kommen könnten. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/GSFC
Lasst die Tests beginnen
Für den Dark-Hole-Test platzierte das Team den Koronographen in einer versiegelten Kammer, die das kalte, dunkle Vakuum des Weltraums simulieren sollte. Mithilfe von Lasern und spezieller Optik reproduzierten sie das Licht eines Sterns, wie es bei der Beobachtung durch das römische Teleskop aussehen würde. Wenn das Licht den Koronographen erreicht, verwendet das Instrument kleine kreisförmige Verdunkelungen, sogenannte Masken, um den Stern effektiv auszublenden, so wie eine Autoblende die Sonne blockiert oder der Mond die Sonne während einer totalen Sonnenfinsternis blockiert. Dadurch sind schwächere Objekte in der Nähe des Sterns leichter zu erkennen.
Koronographen mit Masken fliegen bereits im Weltraum, können aber keinen erdähnlichen Exoplaneten erkennen. Von einem anderen Sternensystem aus würde unser Heimatplanet etwa zehn Milliarden Mal dunkler erscheinen als die Sonne, und die beiden liegen relativ nahe beieinander. Der Versuch, die Erde direkt abzubilden, wäre also so, als würde man versuchen, einen Fleck biolumineszierender Algen neben einem Leuchtturm aus einer Entfernung von 3.000 Meilen (etwa 5.000 Kilometern) zu sehen. Mit früheren koronagrafischen Technologien überwältigt selbst das grelle Licht eines maskierten Sterns einen erdähnlichen Planeten.
Der römische Koronograph wird Techniken demonstrieren, mit denen mithilfe mehrerer beweglicher Komponenten mehr unerwünschtes Sternenlicht entfernt werden kann als mit früheren Weltraumkoronographen. Diese beweglichen Teile werden ihn zum ersten „aktiven“ Koronographen machen, der im Weltraum fliegt. Seine Hauptwerkzeuge sind zwei verformbare Spiegel mit jeweils nur 5 Zentimetern Durchmesser und mehr als 2.000 winzigen Kolben, die sich auf und ab bewegen. Die Kolben arbeiten zusammen, um die Form der verformbaren Spiegel zu verändern, sodass sie das unerwünschte Streulicht kompensieren können, das an den Rändern der Masken austritt.
Die verformbaren Spiegel tragen auch dazu bei, Unvollkommenheiten in der anderen Optik des römischen Teleskops zu korrigieren. Obwohl sie zu klein sind, um Romans andere hochpräzise Messungen zu beeinträchtigen, können die Unvollkommenheiten verirrtes Sternenlicht in das dunkle Loch schicken. Präzise Änderungen an der Form jedes verformbaren Spiegels, die mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar sind, gleichen diese Unvollkommenheiten aus.
Wie funktioniert das römische Coronagraph-Instrument? Dieses Video zeigt, wie unerwünschtes Sternenlicht entfernt wird, um Planeten um andere Sterne sichtbar zu machen. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
„Die Fehler sind so klein und haben so geringe Auswirkungen, dass wir über 100 Iterationen durchführen mussten, um es richtig hinzubekommen“, sagte Feng Zhao, stellvertretender Projektleiter für den römischen Koronographen am JPL. „Es ist ungefähr so, als ob Sie zu einem Optiker gehen und er Ihnen verschiedene Linsen vorsetzt und Sie fragt: ‚Ist diese besser? Wie wäre es mit dieser hier?‘ Und der Koronograph hat sogar noch besser abgeschnitten, als wir gehofft hatten.“
Während des Tests zeigen die Messwerte der Kamera des Koronographen eine ringförmige Region um den Zentralstern, die langsam dunkler wird, je mehr das Team mehr Sternenlicht von ihm weglenkt – daher der Spitzname „Das dunkle Loch graben“. Im Weltraum würde langsam ein in dieser dunklen Region lauernder Exoplanet auftauchen, während das Instrument mit seinen verformbaren Spiegeln seine Arbeit verrichtet.
Bewohnbare Welten
In den letzten 30 Jahren wurden mehr als 5.000 Planeten um andere Sterne herum entdeckt und bestätigt, die meisten wurden jedoch indirekt entdeckt, was bedeutet, dass ihre Anwesenheit auf der Grundlage der Auswirkungen auf ihren Mutterstern abgeleitet wird. Diese relativen Veränderungen im Mutterstern zu erkennen ist weitaus einfacher, als das Signal des viel schwächeren Planeten zu sehen. Tatsächlich wurden weniger als 70 Exoplaneten direkt abgebildet.
Die Planeten, die bisher direkt abgebildet wurden, sind nicht wie die Erde: Die meisten sind viel größer, heißer und typischerweise weiter von ihren Sternen entfernt. Diese Eigenschaften machen sie leichter zu entdecken, aber auch weniger lebensfreundlich, wie wir es kennen.
Um nach potenziell bewohnbaren Welten zu suchen, müssen Wissenschaftler Planeten abbilden, die nicht nur milliardenfach schwächer sind als ihre Sterne, sondern sie auch in der richtigen Entfernung umkreisen, damit flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche existiert – ein Vorläufer für die Art von Leben, die gefunden wurde auf der Erde.
Um die Fähigkeit zu entwickeln, erdähnliche Planeten direkt abzubilden, sind Zwischenschritte wie der römische Coronagraph erforderlich. Bei maximaler Leistungsfähigkeit könnte es einen Jupiter-ähnlichen Exoplaneten um einen Stern wie unsere Sonne herum abbilden: einen großen, kühlen Planeten knapp außerhalb der bewohnbaren Zone des Sterns.
Was die NASA aus dem römischen Coronagraphen lernt, wird dazu beitragen, den Weg für zukünftige Missionen zu ebnen, die darauf abzielen, erdgroße Planeten, die in den bewohnbaren Zonen sonnenähnlicher Sterne kreisen, direkt abzubilden. Das Konzept der Agentur für ein zukünftiges Teleskop mit dem Namen Habitable Worlds Observatory zielt darauf ab, mindestens 25 erdähnliche Planeten mithilfe eines Instruments abzubilden, das auf dem aufbaut, was das römische Coronagraph-Instrument im Weltraum demonstriert.
„Die aktiven Komponenten, wie verformbare Spiegel, sind unerlässlich, wenn man die Ziele einer Mission wie dem Habitable Worlds Observatory erreichen will“, sagte Ilya Poberezhskiy vom JPL, der Projektsystemingenieur für den Roman Coronagraph. „Die aktive Natur des römischen Koronographen ermöglicht es, gewöhnliche Optiken auf ein neues Niveau zu heben. Dadurch wird das gesamte System komplexer, aber ohne es könnten wir diese unglaublichen Dinge nicht erreichen.“