Aufstieg der Superteleskope: Das Weitfeld-Infrarot-Vermessungsteleskop

Wir Menschen haben einen unstillbaren Hunger, das Universum zu verstehen. Wie Carl Sagan sagte: "Verstehen ist Ekstase." Aber um das Universum zu verstehen, brauchen wir immer bessere Möglichkeiten, es zu beobachten. Und das bedeutet eines: große, riesige, riesige Teleskope.

In dieser Serie werden wir uns die kommenden Superteleskope der Welt ansehen:

  • Das riesige Magellan-Teleskop
  • Das überwältigend große Teleskop
  • Das 30-Meter-Teleskop
  • Das europäische extrem große Teleskop
  • Das große synoptische Vermessungsteleskop
  • Das James Webb Weltraumteleskop
  • Das Weitfeld-Infrarot-Vermessungsteleskop

Es ist leicht zu vergessen, welchen Einfluss das Hubble-Weltraumteleskop auf unseren Wissensstand über das Universum hatte. In der Tat könnte dies das beste Maß für den Erfolg sein: Wir halten den Hubble und alles, was wir daraus gelernt haben, für selbstverständlich. Es werden jedoch auch andere Weltraumteleskope entwickelt, darunter das WFIRST, das viel leistungsfähiger sein wird als das Hubble. Wie weit werden diese Teleskope unser Verständnis des Universums erweitern?

"WFIRST hat das Potenzial, unsere Augen für die Wunder des Universums zu öffnen, ähnlich wie Hubble." – John Grunsfeld, NASA Science Mission Directorate

Das WFIRST könnte der wahre Nachfolger des Hubble sein, obwohl das James Webb Space Telescope (JWST) oft als solches angepriesen wird. Es kann jedoch falsch sein, WFIRST sogar als Teleskop zu bezeichnen. Es ist genauer, es als Astrophysik-Observatorium zu bezeichnen. Dies liegt daran, dass eines seiner wichtigsten wissenschaftlichen Ziele darin besteht, die Dunkle Energie, diese mysteriöse Kraft, die die Expansion des Universums antreibt, und die Dunkle Materie, die schwer zu erkennende Materie, die diese Expansion verlangsamt, zu untersuchen.

WFIRST wird einen 2,4-Meter-Spiegel haben, der genauso groß ist wie der Hubble. Aber es wird eine Kamera haben, die die Leistung dieses Spiegels erweitert. Das Weitfeldinstrument ist eine 288-Megapixel-Multiband-Nahinfrarotkamera. Sobald es in Betrieb ist, werden Bilder aufgenommen, die genauso scharf sind wie die von Hubble. Es gibt jedoch einen großen Unterschied: Das Weitfeldinstrument erfasst Bilder, die über das 100-fache des Himmels von Hubble abdecken.

Neben dem Weitfeldinstrument wird WFIRST das Coronagraphic Instrument haben. Das Coronagraphic Instrument wird die Untersuchung von Exoplaneten vorantreiben. Es wird ein System von Filtern und Masken verwenden, um das Licht anderer Sterne auszublenden und Planeten zu erfassen, die diese Sterne umkreisen. Dies ermöglicht eine sehr detaillierte Untersuchung der Atmosphäre von Exoplaneten, eine der Hauptmethoden zur Bestimmung der Bewohnbarkeit.

WFIRST soll 2025 auf den Markt kommen, obwohl es noch zu früh ist, um ein genaues Datum zu haben. Beim Start ist jedoch geplant, dass WFIRST zum Sun-Earth-LaGrange-Punkt 2 (L2) fährt. L2 ist ein gravitativ ausgeglichener Punkt im Weltraum, an dem WFIRST seine Arbeit ohne Unterbrechung ausführen kann. Die Mission soll ungefähr 6 Jahre dauern.

"WFIRST hat das Potenzial, unsere Augen für die Wunder des Universums zu öffnen, ähnlich wie Hubble", sagte John Grunsfeld, Astronaut und stellvertretender Administrator der Direktion für wissenschaftliche Missionen der NASA im Hauptquartier in Washington. "Diese Mission kombiniert auf einzigartige Weise die Fähigkeit, Planeten jenseits unseres eigenen Sonnensystems zu entdecken und zu charakterisieren, mit der Empfindlichkeit und Optik, weit und tief in das Universum zu schauen, um die Geheimnisse der dunklen Energie und der dunklen Materie zu lüften."

Kurz gesagt, es gibt zwei Vorschläge, was Dunkle Energie sein kann. Die erste ist die kosmologische Konstante, bei der die Dunkle Energie im gesamten Kosmos gleichmäßig ist. Das zweite ist das sogenannte Skalarfeld, bei dem die Dichte der Dunklen Energie zeitlich und räumlich variieren kann.

Beobachtungen haben uns seit den 1990er Jahren gezeigt, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Diese Beschleunigung begann vor etwa 5 Milliarden Jahren. Wir glauben, dass Dark Energy für diese beschleunigte Expansion verantwortlich ist. Durch die Bereitstellung derart großer, detaillierter Bilder des Kosmos können Astronomen mit WFIRST die Expansion über die Zeit und über große Gebiete hinweg abbilden. WFIRST wird auch die Formen, Positionen und Entfernungen von Millionen von Galaxien genau messen, um die Verteilung und das Wachstum kosmischer Strukturen, einschließlich Galaxienhaufen und der dazugehörigen Dunklen Materie, zu verfolgen. Die Hoffnung ist, dass dies uns eine nächste Ebene des Verständnisses geben wird, wenn es um Dunkle Energie geht.

Wenn das alles zu kompliziert klingt, sehen Sie es so: Wir wissen, dass sich das Universum ausdehnt, und wir wissen, dass sich die Ausdehnung beschleunigt. Wir möchten wissen, warum und wie es expandiert. Wir haben der Kraft, die diese Expansion vorantreibt, den Namen "Dunkle Energie" gegeben, und jetzt möchten wir mehr darüber wissen.

Dunkle Energie und die Expansion des Universums sind ein großes Rätsel und eine Frage, die Kosmologen antreibt. (Sie wollen wirklich wissen, wie das Universum enden wird!) Aber für viele von uns ist eine andere Frage noch zwingender: Sind wir allein im Universum?

Es wird keine schnelle Antwort auf diese Frage geben, aber jede Antwort, die wir finden, beginnt mit dem Studium von Exoplaneten, und das wird WFIRST auch übertreffen.

"WFIRST wurde entwickelt, um Wissenschaftsbereiche anzusprechen, die von der astronomischen Gemeinschaft als oberste Priorität eingestuft wurden", sagte Paul Hertz, Direktor der Astrophysik-Abteilung der NASA in Washington. „Mit dem Weitfeldinstrument kann das Teleskop ein einzelnes Bild mit der Tiefe und Qualität von Hubble aufnehmen, das jedoch das 100-fache der Fläche abdeckt. Der Koronagraph wird eine revolutionäre Wissenschaft liefern und die schwachen, aber direkten Bilder entfernter Gaswelten und Supererden einfangen. “

"Der Coronagraph wird eine revolutionäre Wissenschaft liefern und die schwachen, aber direkten Bilder entfernter Gaswelten und Supererden einfangen." – Paul Hertz, NASA Astrophysics Division

Die Schwierigkeit bei der Untersuchung von Exoplaneten besteht darin, dass sie alle Sterne umkreisen. Sterne sind so hell, dass es unmöglich ist, ihre Planeten detailliert zu sehen. Es ist, als würde man in einen meilenweit entfernten Leuchtturm starren und versuchen, ein Insekt in der Nähe des Leuchtturms zu untersuchen.

Das Coronagraphic Instrument an Bord von WFIRST ist hervorragend geeignet, um das Licht entfernter Sterne auszublenden. Dies geschieht mit einem System aus Spiegeln und Masken. Dies ermöglicht das Studium von Exoplaneten. Nur wenn das Licht des Sterns behandelt wird, können die Eigenschaften von Exoplaneten untersucht werden.

Dies ermöglicht detaillierte Messungen der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre eines Exoplaneten. Wenn wir dies über Tausende von Planeten tun, können wir beginnen, die Bildung von Planeten um verschiedene Arten von Sternen zu verstehen. Es gibt jedoch einige Einschränkungen für das Coronagraphic Instrument.

Das Coronagraphic Instrument war eine Art späte Ergänzung zu WFIRST. Einige der anderen Instrumente von WFIRST sind nicht für die Arbeit mit WFIRST optimiert, daher gibt es einige Einschränkungen für den Betrieb. Es wird nur in der Lage sein, Gasriesen und sogenannte Super-Erden zu untersuchen. Diese größeren Planeten erfordern nicht so viel Finesse, um zu studieren, einfach wegen ihrer Größe. Erdähnliche Welten werden wahrscheinlich außerhalb der Macht des Coronagraphic Instruments liegen.

Diese Einschränkungen sind auf lange Sicht keine große Sache. Der Coronagraph ist eigentlich eher eine Technologiedemonstration und stellt nicht das Endspiel für Exoplanetenstudien dar. Was auch immer aus diesem Instrument gelernt wird, wird uns in Zukunft helfen. Eines Tages, vielleicht in Jahrzehnten, wird es einen späteren Nachfolger von WFIRST geben, und bis dahin wird die Coronagraph-Technologie große Fortschritte gemacht haben. Zu diesem zukünftigen Zeitpunkt sind möglicherweise direkte Schnappschüsse von erdähnlichen Exoplaneten möglich.

Aber vielleicht müssen wir nicht so lange warten.

Es gibt einen Plan zur Steigerung der Wirksamkeit des Coronagraph auf WFIRST, der es ihm ermöglichen würde, erdähnliche Planeten abzubilden. Es heißt EXO-S Starshade.

Der EXO-S Starshade ist ein einsetzbares Beschattungssystem mit einem Durchmesser von 34 m, das verhindert, dass das Sternenlicht die Funktion von WFIRST beeinträchtigt. Es wäre tatsächlich ein separates Fahrzeug, das separat gestartet und auf den Weg zum Rendezvous mit WFIRST in L2 geschickt würde. Es wäre nicht angebunden, sondern würde sich mit WFIRST durch ein System von Kameras und Leitlichtern orientieren. Tatsächlich besteht ein Teil der Kraft des Starshade darin, dass er etwa 40.000 bis 50.000 km von WFIRST entfernt ist.

Dunkle Energie und Exoplaneten haben für WFIRST Priorität, aber es gibt immer andere Entdeckungen, die auf bessere Teleskope warten. Es ist nicht möglich, alles vorherzusagen, was wir von WFIRST lernen werden. Mit Bildern, die so detailliert sind wie die von Hubble, aber 100-mal größer, werden wir einige Überraschungen erleben.

"Diese Mission wird das Universum untersuchen, um die interessantesten Objekte da draußen zu finden." – Neil Gehrels, WFIRST-Projektwissenschaftler

"Zusätzlich zu seinen aufregenden Fähigkeiten für Dunkle Energie und Exoplaneten wird WFIRST allen Astronomen eine Fundgrube exquisiter Daten bieten", sagte Neil Gehrels, WFIRST-Projektwissenschaftler am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. "Diese Mission wird das Universum untersuchen, um die interessantesten Objekte da draußen zu finden."

Da alle Super-Teleskope in den nächsten Jahren online gehen, können wir einige erstaunliche Entdeckungen erwarten. In 10 bis 20 Jahren wird sich unser Wissen erheblich erweitert haben. Was werden wir über Dunkle Materie und Dunkle Energie lernen? Was werden wir über Exoplanetenpopulationen wissen?

Momentan scheint es, als würden wir uns nur um ein besseres Verständnis dieser Dinge bemühen, aber mit WFIRST und den anderen Superteleskopen sind wir bereit, gezielter zu studieren.

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