Weltraumschrott wird für Vera Rubin ein Problem sein

Das Vera-Rubin-Observatorium (VRO) unterscheidet sich von anderen großen Teleskopen und dieser Unterschied macht es anfälliger für Weltraummüll. Andere Teleskope, wie das Giant Magellan Telescope und das European Extremely Large Telescope, konzentrieren sich auf entfernte Objekte. Die Aufgabe des VRO besteht jedoch darin, zehn Jahre lang wiederholt den gesamten verfügbaren Nachthimmel abzubilden und dabei transiente und variable Objekte zu erkennen.

All dieser Weltraummüll kann wie vorübergehende Ereignisse aussehen, die die Sicht des VRO beeinträchtigen und seine Ergebnisse verfälschen.

In einer neuen Forschungsnotiz, die zur Veröffentlichung ansteht, weist der Harvard-Physiker/Astronom Avi Loeb darauf hin, wie sich Weltraummüll auf die Arbeit des VRO auswirken wird. Das Papier, „Flares von Weltraumschrott in LSST-Bildern,“ ist auf dem Preprint-Server verfügbar arXiv. LSST ist die Legacy Survey of Space and Time, die wichtigste Beobachtungsmaßnahme des VRO.

Das Problem liegt im Weltraumschrott und auch in der extremen Sensibilität des VRO begründet, die einen entscheidenden Teil seines Erfolgs ausmacht.

„Aufgrund der außergewöhnlichen Empfindlichkeit des Vera C. Rubin-Observatoriums gehen wir davon aus, dass seine kommenden LSST-Bilder durch zahlreiche Flares von zentimetergroßem Weltraummüll in erdnahen Umlaufbahnen (LEO) verunreinigt werden“, schreibt Loeb. „Millisekundenlange Flares dieser LEO-Objekte werden voraussichtlich erkennbare Bildstreifen von einigen Bogensekunden mit AB-Magnituden heller als 14 erzeugen.“

Wie jeder weiß, wird unser Weltraummüllproblem immer schlimmer. Nach Angaben der ESA kreisen am 6. Dezember 2023 130 Millionen Objekte im Größenbereich von 0,1–1 cm um die Erde. Hinzu kommen eine Million Objekte zwischen 1–10 cm und 36.500 Objekte größer als 10 cm. Bei so vielen Starts wird das Problem immer schlimmer. Der Weltraum ist eine aufstrebende Wirtschaft, und mit ihm geht eine gewisse Menge Müll einher.

Nicht alle dieser Objekte befinden sich in der kritischen Region der erdnahen Umlaufbahn, aber ein großer Teil davon liegt dort. Laut Loeb hat diese Trümmerpopulation Auswirkungen auf die VRO. „In dieser Notiz untersuchen wir die Auswirkungen dieser LEO-Trümmer auf die bevorstehende Legacy Survey of Space & Time (LSST) des Vera C. Rubin-Observatoriums in Chile“, schreibt Loeb.

Wenn es um die Bilder des VRO geht, kommt es nicht wirklich auf die Größe der Trümmer an. Die Albedo eines Objekts ist das eigentliche Problem. Albedo kann mit der Größe skaliert werden, aber nicht immer.

Es gibt keine Möglichkeit, die individuelle Albedo von Weltraumschrottstücken zu messen, aber in dieser Arbeit berechnet Loeb die Albedo, indem er den Radius und die Entfernung eines Objekts mit einer von der Sonne beleuchteten Seite kombiniert. Das ergibt den Anteil des Lichts, den es reflektiert.

Wir wissen bereits, wie Weltraumschrott Licht reflektieren kann, weil wir es mit der Zwicky Transient Facility sehen können. Es ähnelt dem VRO darin, dass es vorübergehende Lichtquellen erkennt. „Daten der Zwicky Transient Facility (ZTF) zeigen, dass die Sonnenlichtblitze von bekannten LEO-Satelliten Blitze mit einer Dauer von 10-3 ± 0,5 s erzeugen.“ Das ist ein extrem kurzer Blitz.

Aber das VRO und sein LSST werden jeden Himmelsfleck 30 Sekunden lang besuchen und aufeinanderfolgende 15-Sekunden-Aufnahmen machen. Das Problem besteht darin, dass Trümmer sich bewegen und nicht nur einen Blitz, sondern einen Streifen erzeugen. „Es wird daher erwartet, dass sich das Licht der Fackeln nicht länger als ein paar Bogensekunden ausbreitet, unabhängig von der LSST-Belichtungszeit, die vier Größenordnungen länger ist“, schreibt Loeb.

Was bedeutet das für die VRO?

Es ist nicht gut. Laut Loeb übersteigt die Zahl der Objekte, die problematische Streifen erzeugen können, „um eine Größenordnung“ die Zahl der großen Satelliten, die die Erde umkreisen. Das Space Surveillance Network der USA verfolgt regelmäßig Satelliten und hat einen Katalog umlaufender Objekte erstellt, der dem VRO bei der Bewältigung des Problems helfen könnte. Aber wie Loeb betont: „Von der gesamten Trümmerpopulation werden nur 3.515 × 104 (351.500) Objekte regelmäßig von Space Surveillance Networks verfolgt und katalogisiert.“

Lichtstreifen in Bildern sind nur ein Teil des Problems. Es gibt das allgemeinere Problem des kombinierten Lichts aller Satelliten und Trümmer.

Andere Forscher haben das Problem und seine Auswirkungen auf die bodengestützte Astronomie untersucht. Ein Artikel in Nature Astronomy vom März 2023 zeigte, dass reflektiertes Licht von Weltraumschrott und funktionierenden Satelliten bis 2030 die diffuse Hintergrundhelligkeit für das VRO um 7,5 % erhöhen wird. Das bedeutet, dass der LSST des VRO 7,5 % weniger effizient sein wird. Dadurch erhöhen sich die Kosten des zehnjährigen LSST um über 20 Millionen US-Dollar.

Satelliten und ihre vorhersehbaren Umlaufbahnen dürften einfacher zu handhaben sein. Tatsächlich hat das LSST-Team einen Plan, sich mit Satelliten zu befassen. Sie schlagen einen aktualisierten Planer vor, der das Problem entschärfen kann. „Insgesamt reduziert die Aufopferung von 10 % der LSST-Beobachtungszeit zur Vermeidung von Satelliten den Anteil der LSST-Besuche mit Streifen um den Faktor 2“, schreiben die Autoren von a Papier hinein Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.

Aber Müll gibt es weitaus häufiger. Werden LSST-Bilder ohne eine Lösung mit verrauschten Streifen übersät sein?

Es scheint irrational, die Verantwortung für den Weltraummüll den Menschen zuzuschieben, die versuchen, durch ihn hindurch den Himmel zu sehen. Jede langfristige Lösung muss zwei Dinge umfassen: die Sanierung der erdnahen Umlaufbahn und ein internationales Abkommen, um eine noch weitere Verschmutzung zu verhindern.

Die ESA beschäftigt sich mit dem Problem des Weltraummülls. „130 Millionen Weltraumschrottteile, die größer als ein Millimeter sind und die Erde umkreisen, bedrohen Satelliten jetzt und in Zukunft“, schrieb die ESA bei der Ankündigung ihrer Zero-Debris-Charta.

„Einmal pro Woche dringt ein Satellit oder eine Rakete unkontrolliert durch unsere Atmosphäre wieder ein. Das Verhalten im Weltraum muss sich ändern.“ Während die Charta in erster Linie darauf abzielt, das Risiko von Kollisionen zu verringern, kommt sie auch der bodengestützten Astronomie zugute.

Auch die NASA sucht nach Lösungen. Ihr Wettbewerb „Detect, Track, and Remediate: The Challenge of Small Space Debris“ wendet sich an Menschen auf der ganzen Welt, um innovative Lösungen für das Problem zu finden.

Das sind großartige Initiativen, aber das erste Licht der VRO ist für Anfang Januar 2025 geplant. Eine Lösung für das Problem der Satelliten und Satellitenkonstellationen im Weltraum ist wahrscheinlich in greifbarer Nähe. Aber Trümmer sind ein viel heikleres Problem.

„Die oben genannten Zahlen deuten jedoch darauf hin, dass die Bildkontamination durch nicht verfolgten Weltraummüll eine größere Herausforderung darstellen könnte“, schließt Loeb.