Planungen für das Habitable World Observatory der NASA laufen Anfang August trafen sich Wissenschaftler und Ingenieure in einem kleinen Auditorium am Caltech, um über den Bau des ersten Weltraumteleskops zu diskutieren, das Leben auf erdähnlichen Planeten entdecken kann. Das vorgeschlagene Missionskonzept mit dem Namen Habitable World Observatory (HWO) wäre ein leistungsstarkes Astrophysik-Observatorium in Nachfolge des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA.
Diese Technik wird verwendet, um Sternenlicht zu verdunkeln, um die Anwesenheit von Planeten aufzudecken, die den Stern umkreisen.
Es wird in der Lage sein, Sterne, Galaxien und eine Vielzahl anderer kosmischer Objekte zu untersuchen, darunter auch Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, sogenannte Exoplaneten. Während die Entdeckung von Leben auf Exoplaneten ein weit entferntes Ziel sein mag, bestand der Zweck des Caltech-Workshops darin, den Stand der Technologie zu bewerten, den BGI benötigen würde, um anderswo nach Leben zu suchen.
„Wir müssen Schlüsseltechnologien so weit wie möglich entwickeln, bevor wir eine Mission entwerfen“, sagte Dimitri Mawet, Mitglied der HWO Technology Assessment Group (TAG), David Morrisroe-Professor für Astronomie und leitender Forschungswissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory (JPL), das von Caltech für die NASA verwaltet wird. Wir befinden uns in der technologischen Reifephase. Die Idee besteht darin, Technologien weiter voranzutreiben, die es einem Habitable World Observatory ermöglichen, revolutionäre wissenschaftliche Ergebnisse zu liefern und gleichzeitig das Risiko von Kostenüberschreitungen zu minimieren.“
Eine künstlerische Darstellung des felsigen Exoplaneten Kepler-186f, einem der vielversprechendsten Kandidaten, ein potenziell bewohnbarer Planet zu werden. Aber wie ähnlich oder anders wäre er der Erde, um Leben zu ermöglichen? Bildnachweis: NASA/Ames/SETI Institute/JPL-Caltech.
HWO wird Ende der 1930er oder Anfang der 2040er Jahre im Rahmen des 2020 Decadal Survey of Astronomy and Astrophysics (Astro2020) der National Academy of Sciences starten. Die Beobachtungszeit der Mission wird zwischen allgemeiner Astrophysik und Exoplanetenforschung aufgeteilt.
„Der Tenth Anniversary Survey empfiehlt dieser Mission höchste Priorität, da sie transformative Möglichkeiten für die Astrophysik mit sich bringt und gleichzeitig das gesamte Sonnensystem jenseits unseres eigenen versteht“, sagte Fiona Harrison, Harold A. Rosen-Professorin für Physik am Caltech und Leiterin des Kent and Joyce Cresa Leadership Chair in der Abteilung für Physik, Mathematik und Astronomie sowie eine der beiden Co-Vorsitzenden des Astro2020 Tenth Anniversary Report.
Technologischer Fortschritt und Herausforderungen
Die Fähigkeit von Weltraumteleskopen, die Atmosphären von Exoplaneten zu charakterisieren und so nach möglichen Lebenszeichen zu suchen, hängt von einer Technologie ab, die die Blendung entfernter Sterne blockiert. Es gibt im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, Sternenlicht zu blockieren: Eine davon ist eine kleine Blende im Inneren des Teleskops, ein sogenannter Koronograph. Das andere ist eine große Blende an der Außenseite des Teleskops, die als Sternenschirm bezeichnet wird. Im Weltraum dehnt sich der Sternenschild zu einer riesigen sonnenblumenförmigen Struktur aus, wie unten gezeigt.
Die Animation zeigt einen Prototyp eines Sternenschildes, einer riesigen Struktur, die das grelle Licht eines Sterns blockieren soll, damit zukünftige Weltraumteleskope Fotos von Planeten machen können. Quelle: NASA
In beiden Fällen wird das Licht des Sterns blockiert, sodass das schwache Sternenlicht, das von nahegelegenen Planeten reflektiert wird, durchscheinen kann. Der Vorgang ähnelt dem Abschirmen der Sonne mit der Hand beim Fotografieren eines lächelnden Freundes. Durch die direkte Erfassung des Lichts des Planeten können Forscher andere Instrumente, sogenannte Spektrometer, verwenden, um dieses Licht auf chemische Signaturen zu untersuchen. Wenn es Leben auf Planeten gibt, die entfernte Sterne umkreisen, könnte das kollektive Ein- und Ausatmen dieses Lebens in Form von Biosignaturen erkennbar sein.
„Wir schätzen, dass es allein in der bewohnbaren Zone unserer Galaxie bis zu Milliarden erdgroße Planeten gibt“, sagte Nick Siegler, Cheftechnologe für das Exoplaneten-Erkundungsprogramm der NASA am JPL. „Die bewohnbare Zone ist der Bereich um einen Stern, in dem die Temperaturen für flüssiges Wasser geeignet sind.“ Wachstumsregionen. Wir wollen die Atmosphären dieser Exoplaneten untersuchen und nach Sauerstoff, Methan, Wasserdampf und anderen Chemikalien suchen, die auf das Vorhandensein von Leben hinweisen könnten. Anstatt nach kleinen grünen Männchen zu suchen, wollen wir spektrale Signaturen dieser Schlüsselchemikalien sehen, die wir Biosignaturen nennen.“
Laut Siegler hat die NASA beschlossen, sich auf die Koronagraphenroute des HWO-Konzepts zu konzentrieren, das auf den jüngsten Investitionen in das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA aufbaut, das fortschrittliche Koronagraphen verwenden wird, um Gasriesen-Exoplaneten abzubilden. (Das IPAC von Caltech ist die Heimat des Roman Science Support Center). Heutzutage werden Koronographen an mehreren anderen Teleskopen verwendet, darunter dem umlaufenden JWST, Hubble und bodengestützten Observatorien.
Sara Seager vom MIT hielt auf dem Caltech-Symposium einen Vortrag mit dem Titel „Starlight Suppression for a Habitable World Observatory“. Quelle: Caltech
Innovation und Zukunftsaussichten
Mavitt entwickelte den Koronographen, ein Instrument, das am W.M. verwendet wurde. Keck-Observatorium auf dem Mauna Kea auf der Big Island von Hawaii. Die neueste Version des Koronographen, bekannt als Vortex-Koronagraph, wurde von Mavitt erfunden und ist im Keck Planetary Imaging and Characterization Instrument (KPIC) untergebracht, das es Forschern ermöglicht, die Wärmestrahlung junger und warmer Gasriesen-Exoplaneten direkt abzubilden und zu untersuchen. Ein Koronograph löscht das Licht des Sterns aus und ermöglicht so das Fotografieren von Planeten, die eine Million Mal dunkler sind als der Stern. Dies ermöglicht es Forschern, die Atmosphären, Umlaufbahnen und Rotationseigenschaften junger Gasriesen-Exoplaneten detailliert zu beschreiben und so bei der Beantwortung von Fragen zur Entstehung und Entwicklung anderer Sonnensysteme zu helfen.
Aber die direkte Abbildung eines Zwillingsplaneten der Erde – des Planeten, auf dem das Leben, wie wir es kennen, am wahrscheinlichsten gedeiht – würde massive Verbesserungen der bestehenden Technologie erfordern. Planeten wie die Erde, die sonnenähnliche Sterne in der bewohnbaren Zone umkreisen, werden durch die Blendung des Sterns leicht verdeckt. Unsere Sonne ist beispielsweise 10 Milliarden Mal stärker als die Erde. Um dieses Maß an Sternenlichtunterdrückung in einem Koronographen zu erreichen, mussten Forscher ihre Technologie auf die Spitze treiben. „Je näher wir dem erforderlichen Maß an Sternenlichtunterdrückung kommen, desto größer wird die Herausforderung exponentiell“, sagte Marvitt.
Durch die Erklärung von Dr. Nick Siegler, technischer Leiter des Exoplaneten-Erkundungsprogramms der NASA, stellte er detailliert das Funktionsprinzip des Koronographen vor und wie er dabei helfen kann, Exoplaneten direkt abzubilden. Quelle: NASA
Die Teilnehmer des Caltech-Workshops diskutierten über die Koronagraph-Technologie, bei der Lichtwellen mit hochpräzisen verformbaren Linsen im Inneren des Instruments gesteuert werden (siehe Video oben). Obwohl ein Koronograph den größten Teil des Lichts eines Sterns blockiert, dringt dennoch Streulicht in das endgültige Bild ein und erscheint als Punkte. Durch den Einsatz von Tausenden von Schubstangen, die die reflektierende Oberfläche des verformbaren Spiegels drückten und zogen, konnten die Forscher die verbleibenden Sternenlichtflecken beseitigen.
Das kommende römische Weltraumteleskop Nancy Grace wird das erste sein, das diesen Koronographentyp verwendet, der als „aktiver“ Typ bezeichnet wird, weil sich seine Spiegel aktiv verformen. Nach weiteren Tests am JPL wird der römische Koronograph schließlich in das endgültige Teleskop am Goddard Space Flight Center der NASA integriert und spätestens 2027 ins All gebracht. Der römische Koronograph wird es Astronomen ermöglichen, Bilder von Exoplaneten aufzunehmen, die eine Milliarde Mal dunkler sind als ihre Sterne. Dazu gehören reife und junge Gasriesen sowie Trümmerscheiben, die bei der Planetenentstehung übrig geblieben sind.
Vanessa Bailey, technische Expertin für römische Koronagraphen am JPL, sagte: „Der römische Koronagraph ist der nächste Schritt der NASA bei der Suche nach Leben außerhalb des Sonnensystems. Die Leistungslücke zwischen heutigen Teleskopen und bewohnbaren Weltobservatorien ist zu groß, als dass sie auf einmal überbrückt werden könnte. Der Zweck des römischen Koronagraphen besteht darin, ein Sprungbrett in der Mitte zu sein. Er wird mehrere notwendige Technologien, einschließlich Koronagraphmasken und verformbare Spiegel, auf einem Leistungsniveau demonstrieren, das außerhalb des Labors noch nie erreicht wurde.“
Das Ziel, den Zwilling der Erde um einen sonnenähnlichen Stern direkt abzubilden, bedeutet, die Technologie hinter Romans Koronographen noch weiter voranzutreiben. „Wir müssen in der Lage sein, die Spiegel bis in den Pikometerbereich zu verformen“, erklärt Marvitt. „Wir müssen das Sternenlicht etwa 100-mal stärker unterdrücken als der römische Koronograph. Dieser Workshop hilft uns herauszufinden, wo unsere Technologielücken liegen und wo wir im nächsten Jahrzehnt weitere Entwicklung benötigen.“
Weitere auf dem Workshop diskutierte Themen waren die besten Primärspiegeltypen für die Verwendung mit Koronographen, Spiegelbeschichtungen, der Umgang mit Spiegelschäden durch Mikrometeoroiden, die Technologie verformbarer Spiegel sowie Detektoren und fortschrittliche Werkzeuge für integrierte Modellierung und Design. Die Ingenieure stellten außerdem ein Update zum Sternenschild und seinem technischen Bereitschaftsstatus bereit.
Den Weg zu den Zwillingen der Erde entdecken
Während die Technologie immer weiter voranschreitet, richten auch andere Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf Sterne und suchen nach erdähnlichen Planeten, die HWO abbilden kann. Bisher wurden mehr als 5.500 Exoplaneten entdeckt, aber keiner von ihnen ist wirklich ein erdähnlicher Planet. Planetensuchgeräte wie die neue Keck Planet Probe (KPF) am von Caltech geleiteten Keck-Observatorium sind bereits besser darin, Planeten zu entdecken, indem sie nach der Anziehungskraft suchen, die sie auf Sterne ausüben, wenn sie sie umkreisen. Schwerere Planeten üben eine größere Anziehungskraft aus, ebenso wie Planeten, die näher an ihren Sternen liegen. KPF soll erdgroße Planeten in den bewohnbaren Zonen kleiner roter Sterne finden, die näher an ihren Sternen liegen. In den nächsten Jahren wird sich KPF weiter verbessern und möglicherweise in der Lage sein, Erdzwillinge zu erkennen.
Bis zum Start von HWO Ende der 1930er oder Anfang der 1940er Jahre hoffen die Wissenschaftler, über einen Katalog von mindestens 25 erdähnlichen Planeten zu verfügen, die es zu erforschen gilt.
Trotz des langen Weges, der vor ihnen lag, waren die Wissenschaftler des Symposiums bestrebt, diese Herausforderungen mit Kollegen zu diskutieren, die aus dem ganzen Land nach Pasadena angereist waren. JPL-Direktorin Laurie Leshin (M.A. ’89, Ph.D. ’95) hielt zu Beginn des Treffens eine inspirierende Rede. „Das ist eine spannende und schwierige Herausforderung. Aber genau darum geht es uns. Wir kämpfen nicht allein. Wir müssen zusammenarbeiten“, sagte sie.