Welche Rolle spielen Infrarot-Weltraumteleskope? Welche funkelnden Sterne haben Sie eingefangen?

Astronomen hassen bewölkte Himmel; es gibt nichts Schlimmeres, als die Sterne nicht sehen zu können. Allerdings können wir selbst bei wolkenlosem Nachthimmel nur begrenztes Licht im sichtbaren Lichtband sehen. Licht im Ultraviolett-, Infrarot- und anderen Frequenzbereich wird größtenteils von Wasserdampf, Kohlendioxid, Ozon und anderen Gasen in der Erdatmosphäre absorbiert, wodurch die Menschen auf der Erde nahezu hilflos werden. In diesen Bändern sind jedoch viele Details erkennbar, die im sichtbaren Licht nicht erkennbar sind, was für die Astronomie von großer Bedeutung ist. Beispielsweise können wir im Infrarotbereich junge Sterne, Planeten und primitive Galaxien beobachten, was für die Analyse der Entstehung des Universums, der Milchstraße, des Sonnensystems und sogar der Erde und des Lebens von großer Bedeutung ist.

Astronomen zerbrachen sich den Kopf über Möglichkeiten, dem Einfluss der Atmosphäre zu entgehen. Der direkteste und effektivste Weg besteht darin, Weltraumteleskopsatelliten zu starten, um Beobachtungen außerhalb der Erdatmosphäre durchzuführen.

Ballon- und Flugzeugbeobachtungen

Der Nahinfrarotbereich, der näher am sichtbaren Licht liegt, hat ähnliche Eigenschaften wie sichtbares Licht und kann an Orten beobachtet werden, an denen die Erdatmosphäre weniger Wasser enthält. Daher werden erdgebundene Infrarotteleskope meist in trockenen Wüsten, Hochebenen oder in der Antarktis errichtet. Allerdings sind diese erdgebundenen Teleskope nicht in der Lage, Beobachtungen im mittleren und fernen Infrarotbereich durchzuführen. In den 1960er Jahren waren Astronomen gezwungen, Ballons zu verwenden, um für Infrarotbeobachtungen Detektionsinstrumente in große Höhen mit geringem Wassergehalt zu transportieren. Allerdings war die Beobachtungszeit der Ballonerkennung zu kurz, die Stabilität schlecht und die Unsicherheit relativ hoch.

Schematische Darstellung der Absorptionsrate der Erdatmosphäre gegenüber elektromagnetischen Wellen verschiedener Bänder

Im Jahr 1974 flog ein modifiziertes Transportflugzeug vom Typ Lockheed C-141 in den Himmel und führte Infrarotbeobachtungen in der Stratosphäre in 14 Kilometern Höhe durch. Dabei handelte es sich um das Kuiper Airborne Observatory (KAO) der NASA, das damals unter Infrarot-Astronomen als Schatz galt. Das Flugzeug ist mit einem 0,915 Meter großen Spiegelteleskop ausgestattet, das in Reiseflughöhe 85 % der Infrarotwellenlängen beobachten kann. Im Vergleich zu den ursprünglichen Ballons, die mit dem Wind davontrieben, kann dieses Flugzeug stabilere Beobachtungsbedingungen bieten und eine kontinuierliche Beobachtung von mehr als 7,5 Stunden ermöglichen. Das Kuiper Airborne Observatory führte insgesamt 1.417 Flüge durch, erzielte umfangreiche Beobachtungsergebnisse und förderte die Entwicklung der Infrarotastronomie erheblich. Es hat Ferninfrarotbilder vom Zentrum der Milchstraße und anderer Galaxien aufgenommen, die Verteilung von Wasser und organischen Molekülen in Sternentstehungsgebieten untersucht und war 1977 das erste Institut, das die Ringe des Uranus entdeckte und 1988 die Existenz der Atmosphäre des Pluto bestätigte. Das Kuiper Airborne Observatory wurde 1995 außer Dienst gestellt.

Nahaufnahme des Kuiper Airborne Observatory und seines Teleskops

Im Vergleich zum Start astronomischer Beobachtungssatelliten haben luftgestützte Observatorien den Vorteil niedriger Kosten und einer einfachen manuellen Wartung, sodass sie noch immer entwickelt und eingesetzt werden. Nach der Außerdienststellung des Kuiper Airborne Observatory begann die NASA mit der Entwicklung des leistungsstärkeren SOFIA Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA), das 2010 seine ersten Beobachtungen durchführte. Dieses modifizierte Großraumflugzeug vom Typ Boeing 747 verfügt über eine 5,5 Meter hohe und 4,1 Meter breite Hecktür, ist mit einem Spiegelteleskop mit 2,5 Metern Durchmesser ausgestattet und kann nachts zehn Stunden lang ununterbrochen fliegen. SOFIA ist noch in Betrieb und wird die Zusammensetzung der Atmosphären und Oberflächen von Planeten untersuchen. Erforschen Sie die Struktur, Entwicklung und Zusammensetzung von Kometen. die physikalischen und chemischen Eigenschaften des interstellaren Mediums bestimmen; und erforschen Sie den Entstehungsprozess von Sternen und anderen Gestirnen.

Nahaufnahme des Stratosphären-Observatoriums für Infrarot-Astronomie SOFIA und seines Teleskops

Infrarot-Astronomischer Satellit (IRAS)

Obwohl luftgestützte Infrarot-Observatorien weniger teuer sind, sind 15 % des Infrarotlichts immer noch unsichtbar und die Auswirkungen der Flugzeugvibrationen lassen sich nicht vermeiden. Daher sind Weltraumteleskope, die Infrarotwellen aussenden, immer noch die beste Wahl. Am 25. Januar 1983 starteten die Vereinigten Staaten, die Niederlande und das Vereinigte Königreich gemeinsam das weltweit erste Infrarot-Weltraumteleskop – den Infrared Astronomical Satellite (IRAS).

Infrarot-All-Sky-Survey-Bilder, aufgenommen von IRAS

IRAS wiegt 1,08 Tonnen, ist mit einem Primärspiegel mit einem Durchmesser von 0,57 Metern ausgestattet und operiert in einer sonnensynchronen Umlaufbahn in 900 Kilometern Höhe. Dies ist das erste Mal, dass Menschen den Einfluss der Erdatmosphäre vollständig umgehen und ungehindert astronomische Beobachtungen im Infrarotbereich durchführen konnten. IRAS hat 96 % des Himmels in vier verschiedenen Bändern gescannt: 12 Mikrometer, 25 Mikrometer, 60 Mikrometer und 100 Mikrometer, und das weltweit erste Infrarot-Bild einer vollständigen Himmelsdurchmusterung aufgenommen, was einen Pionierarbeit für die weltraumgestützte Infrarotastronomie darstellt. IRAS hat etwa 350.000 Infrarotquellen entdeckt, von denen die meisten noch auf ihre Identifizierung warten. Darüber hinaus wurden auch neue Himmelskörper wie 4 Asteroiden und 6 Kometen entdeckt.

IRAS ist der erste Satellit, der Supraflüssigkeit im Weltraum nutzt. Da die Intensität des Infrarotlichts mit der Temperatur eines Objekts korreliert, senden auch die Satelliten selbst Infrarotlicht aus. Um den Einfluss der eigenen Infrarotstrahlen des Satelliten zu vermeiden, führte IRAS 73 Kilogramm supraflüssiges flüssiges Helium als Kühlmittel mit sich. Dieses flüssige Helium verdampft langsam und kühlt das Teleskop auf eine extrem niedrige Temperatur von -271 °C (2 Kelvin) ab. Diese flüssigen Heliumressourcen sind begrenzt. Nach 9 Monaten und 26 Betriebstagen war das flüssige Helium aufgebraucht, die Temperatur von IRAS stieg an, was seine normalen Beobachtungen beeinträchtigte, und die Mission endete.

Infrarot-Weltraumobservatorium (ISO)

Am 17. November 1995 wurde das Infrared Space Observatory (ISO) unter der Leitung der ESA in Zusammenarbeit mit der Japan Aerospace Exploration Agency und der NASA erfolgreich gestartet. Im Vergleich zu IRAS wurden die Leistungsindikatoren von ISO weiter verbessert. Es wiegt 2,5 Tonnen, hat einen Primärspiegeldurchmesser von 0,6 Metern und operiert in einer großen elliptischen Umlaufbahn mit einem Perigäum von 1.000 Kilometern und einem Apogäum von 70.600 Kilometern. In dieser Umlaufbahn beträgt die Umlaufzeit 24 Stunden, was mit der Geschwindigkeit der Erdrotation und der Arbeit und Ruhe der bodengestützten wissenschaftlichen Forscher übereinstimmt und zur Verbesserung der Effizienz der Nutzung des Observatoriums beiträgt.

ISOs Hauptspiegel

Die Designindikatoren der ISO wurden in Anlehnung an IRAS verbessert. Es ist mit vier Beobachtungsinstrumenten ausgestattet, wodurch sich sein Beobachtungswellenlängenbereich auf 2,5 bis 240 Mikrometer erweitert. Seine Empfindlichkeit im 12-Mikron-Band wurde um das 1.000-fache und seine Winkelauflösung um das 100-fache erhöht. Man könnte es so sagen: „Das Große vom Kleinen aus sehen.“ Darüber hinaus transportiert es 283 Kilogramm flüssiges Helium als Kältemittel, was seine Lebensdauer auf fast zweieinhalb Jahre verlängert.

Ersatzteile für Langwellenspektrometer von ISO

ISO hat fruchtbare Beobachtungsergebnisse erzielt. Ursprünglich glaubten Astronomen, dass sich Planeten nur um junge Sterne bilden könnten, doch ISO entdeckte junge Planeten um sterbende Sterne und erweiterte damit das theoretische Wissen. ISO bietet durch das integrierte Infrarotspektrometer eine hervorragende Leistung. Durch die Identifizierung des Spektrums kann die Materialzusammensetzung weit entfernter Himmelskörper bestimmt werden. So hat ISO beispielsweise die chemische Zusammensetzung der Atmosphären mehrerer Planeten im Sonnensystem gemessen und erstmals Fluorwasserstoffmoleküle in interstellaren Gaswolken nachgewiesen. Außerdem wurde das Vorhandensein von Wassermolekülen im Orionnebel festgestellt.

Der Krebsnebel kann in unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich detailliert beobachtet werden.

Spitzer-Weltraumteleskop

Das Spitzer-Weltraumteleskop ist nach IRAS und ISO das dritte Weltraumteleskop, das sich der Infrarotastronomie widmet. Es ist nach dem amerikanischen Astronomen Lyman Spitzer benannt, der bereits 1946 die Idee hatte, ein Teleskop im Weltraum zu stationieren.

Das Spitzer-Weltraumteleskop wurde im August 2003 gestartet und wiegt nur 0,95 Tonnen, sein Hauptspiegel hat jedoch einen Durchmesser von 0,85 Metern, da er aus dem Leichtmetall Beryllium besteht. Durch eine modernere Kühltechnologie konnte der Verbrauch an flüssigem Helium deutlich reduziert werden. Es transportierte zwar nur 50,4 Kilogramm flüssiges Helium, hielt aber fast sechs Jahre. Das Spitzer-Weltraumteleskop hat eine spezielle Erdumlaufbahn gewählt. In dieser Umlaufbahn entfernt sich das Teleskop Jahr für Jahr von der Erde, um den Einfluss der Infrarot-Wärmequelle der Erde auf die Beobachtungen weiter zu verringern und gleichzeitig den Verbrauch von flüssigem Helium zu reduzieren.

Simulation von Spitzer-Beobachtungen

Das Spitzer-Teleskop trägt drei Beobachtungsinstrumente mit einem Erfassungsbereich von 3,6 bis 160 Mikrometern. Sein bekanntester Entdeckungserfolg war, dass es 2005 das erste Teleskop war, das einen Exoplaneten direkt erfasste. Im März 2006 entdeckte das Spitzer-Teleskop einen 80 Lichtjahre langen Doppelhelixnebel im Zentrum der Milchstraße. Der Grund für die Verdrehung des Sterns zu einer Doppelhelix liegt nach einer Analyse der Astronomen darin, dass sich in seinem Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet. Das enorme Magnetfeld, das das Schwarze Loch erzeugt, führt zu einer Ablenkung des Lichtwegs. Dies ist einer der direkten Beweise für die Existenz Schwarzer Löcher.

Der Spiralnebel „Auge Gottes“, fotografiert vom Spitzer-Teleskop. Blau entspricht einer Wellenlänge von 3,6 bis 4,5 Mikrometern, Grün entspricht einer Wellenlänge von 5,8 bis 8 Mikrometern und Rot entspricht einer Wellenlänge von 24 Mikrometern.

Am 15. Mai 2009 ging Spitzer das flüssige Helium-Kühlmittel aus, was seine Ferninfrarot-Beobachtungen beendete. Anders als die beiden vorherigen Generationen von IRAS und ISO, die unmittelbar nach dem Verbrauch des Kühlmittels außer Dienst gestellt wurden, arbeitet Spitzers Infrarot-Array-Kamera seitdem weiterhin im Nahinfrarotbereich und hat weitere Exoplaneten, Braune Zwerge, Protosterne und andere weit entfernte und lichtschwache Himmelskörper entdeckt. Dieser Zeitraum wird als „Spitzer Warm Mission“ bezeichnet. Erst am 30. Januar 2020 kam es aufgrund unzureichender Energieversorgung zur endgültigen Stilllegung. Das Spitzer-Teleskop fiel in einen ewigen Schlaf, nachdem ihm die letzte Energie entzogen worden war.

Herschel-Weltraumobservatorium

Am 14. Mai 2009 startete die ESA erfolgreich das Weltraumobservatorium Herschel. Das Weltraumteleskop wurde nach den Astronomen William und Caroline Herschel benannt, die den Uranus entdeckten. Es war vor dem Start des James Webb Space Telescope das größte Weltraumteleskop der Welt. Es wog 3,4 Tonnen und hatte ein Teleskop mit einem Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 3,5 Metern. Eine größere Blende kann leistungsfähigere Beobachtungsmöglichkeiten bieten. Das Herschel-Weltraumobservatorium ist bislang das einzige Teleskop, das vom mittleren Infrarotbereich von 55 Mikrometern bis zum Submillimeterbereich von 672 Mikrometern sehen kann. Infrarotlicht mit einer so langen Wellenlänge kann interstellares Gas und Staub durchdringen, sodass das Herschel-Weltraumobservatorium mysteriöse, von Staub verdeckte Regionen erkennen kann.

Hauptspiegel des Herschel-Weltraumobservatoriums

Der Hauptspiegel des Herschel-Weltraumobservatoriums besteht nicht aus Glas, sondern aus Siliziumkarbid. Da ein Glasspiegel mit einem Durchmesser von 3,5 Metern bei großen Temperaturschwankungen deutliche Verformungen aufweist und Siliziumkarbid einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Härte und eine hohe Steifigkeit aufweist, eignet es sich sehr gut für die Herstellung eines Primärspiegels mit einem Durchmesser von 3,5 Metern.

Das Herschel-Weltraumobservatorium arbeitet am Lagrange-Punkt L2, 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. An diesem Punkt kann es die Vorteile der Beobachtungsmöglichkeiten, der Stromversorgung und der Kommunikationsmöglichkeiten maximieren und gleichzeitig so weit wie möglich von den drei wichtigsten Infrarot-Wärmequellen entfernt sein: der Sonne, der Erde und dem Mond. Das Herschel-Weltraumobservatorium untersucht die Entwicklung von Galaxien im frühen Universum, beobachtet die Sternentstehung und ihre Wechselwirkung mit dem interstellaren Medium und misst die atmosphärische Chemie von Planeten, Kometen und Satelliten im inneren Sonnensystem.

Rosennebel, fotografiert vom Herschel-Weltraumobservatorium. Blau entspricht einer Wellenlänge von 70 Mikrometern, Grün entspricht einer Wellenlänge von 160 Mikrometern und Rot entspricht einer Wellenlänge von 250 Mikrometern.

Auch der Kerndetektor dieses Infrarotteleskops benötigt eine Kühlung mit flüssigem Helium. Es transportiert etwa 320 Kilogramm flüssiges Helium, um die Kernkomponenten des Teleskops auf unter -271 °C abzukühlen. Nach fast vier Jahren Normalbetrieb ging ihm am 29. April 2013 das flüssige Helium aus und seine Mission endete.

Das Weltraumobservatorium Herschel entdeckte im August 2011 die Existenz von Sauerstoffmolekülen im interstellaren Raum und zeigte im Oktober desselben Jahres durch die Messung des Deuteriumgehalts im Kometen Hartley 2, dass der größte Teil des Wassers auf der Erde ursprünglich von Kometeneinschlägen stammen könnte. Dank der sich ständig weiterentwickelnden Computertechnologie konnten die Möglichkeiten des Teleskops zur Datenerfassung und -speicherung erheblich verbessert werden. Nach seiner Außerdienststellung im Jahr 2013 hinterließ es noch immer eine riesige Menge wissenschaftlicher Daten, die von den Astronomen verarbeitet werden mussten. Im Januar 2014 konnten ESA-Astronomen mithilfe von Herschel-Daten erstmals das Vorhandensein von Wasserdampf auf dem Zwergplaneten Ceres bestätigen. Dies veranlasste die Astronomen dazu, die Grenzen zwischen Kometen, Asteroiden und Zwergplaneten zu überdenken. Erst im Jahr 2017 schlossen die Astronomen die Analyse der von Herschel hinterlassenen Detektionsdaten ab.

Weitfeld-Infrarot-Vermessungs-Explorer (WISE)

Der Widefield Infrared Survey Explorer (WISE) ist ein kleines Infrarot-Weltraumteleskop, das am 14. Dezember 2009 von der NASA gestartet wurde. Es wiegt nur 0,66 Tonnen, ist mit einem Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 0,4 Metern ausgestattet und operiert in einer sonnensynchronen Umlaufbahn in einer Höhe von 525 Kilometern. Der Satellit ist kleiner als frühere Infrarot-Weltraumteleskope, da seine Mission eine andere ist. WISE wird sich auf die schnelle Abbildung des gesamten Himmels bei Wellenlängen von 3,3, 4,7, 12 und 23 Mikrometern konzentrieren, um nach Asteroiden, Kometen und einigen kühlen, schwachen Sternen zu suchen.

WISE ist klein und wendig und kann alle 11 Sekunden ein Bild aufnehmen. Bis Ende 2010 wurden 1,5 Millionen Bilder aufgenommen. Auf der Grundlage dieser Bilder entdeckten Astronomen 33.500 neue Asteroiden und Kometen im Sonnensystem, darunter den ersten Trojanischen Asteroiden der Erde. Darüber hinaus wurde ein völlig neuer Typ Brauner Zwerg außerhalb des Sonnensystems entdeckt. Nach 10 Monaten ging WISE das flüssige Helium aus und ging in den Ruhezustand über.

Simulationsdiagramm zur Beobachtung eines Weitfeld-Infrarot-Messdetektors

Im Gegensatz zu anderen Satelliten, die direkt außer Dienst gestellt wurden, wurde WISE 2013 wiederbelebt und in Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer (NEOWISE) umbenannt. Es sucht weiterhin im nahen Infrarotbereich nach erdnahen Asteroiden und Kometen und hält nach Asteroiden Ausschau, bei denen die Gefahr einer Kollision mit der Erde besteht.

Komet Siding Spring, fotografiert vom Wide Field Infrared Survey Explorer

James Webb-Weltraumteleskop

Das James Webb-Weltraumteleskop, eine Zusammenarbeit zwischen NASA und ESA, verfügt über einen riesigen Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 6,5 Metern, der auf den Empfang von Nahinfrarotlicht von 0,6 bis 28,5 Mikrometern ausgerichtet ist. Es wurde am 25. Dezember 2021 gestartet und wird das Herschel-Weltraumobservatorium ersetzen und den Rekord für das größte Weltraumteleskop der Welt brechen. Die Technologie hat den Höhepunkt erreicht, den der Mensch derzeit erreichen kann.

Der riesige Hauptspiegel des James Webb-Weltraumteleskops

Die Zukunft ist vielversprechend

Die Vereinigten Staaten haben außerdem mittel- bis langfristige Startpläne für mehrere Infrarot-Weltraumteleskope, darunter das Nancy Grace Roman Space Telescope, das 2027 gestartet werden soll, und das Origins Space Telescope, das 2035 ins All gebracht werden soll. Das Roman Space Telescope ist mit einem Weitwinkel-Primärspiegel mit einem Durchmesser von 2,4 Metern ausgestattet. Dabei sollen die Geschichte der Expansion des Universums und die Veränderungen in der Struktur des Universums erforscht, der Einfluss der dunklen Energie im Universum genau gemessen und die Übereinstimmung zwischen der Krümmung der Raumzeit und der allgemeinen Relativitätstheorie überprüft werden. Das Design des Origin-Weltraumteleskops ist noch auffälliger. Es wird über einen riesigen Primärspiegel mit einem Durchmesser von 8 bis 15 Metern verfügen, der die Beobachtungsmöglichkeiten im fernen Infrarotbereich deutlich verbessern wird. Seine Winkelauflösung ist mehr als 10.000-mal höher als die von Herschel.

Simulation des Roman-Weltraumteleskops

Simulation des Origin-Weltraumteleskops

Wenn wir uns die Geschichte der Starts von Infrarot-Weltraumteleskopen ansehen, können wir immer größere Hauptspiegeldurchmesser, immer fortschrittlichere Hauptspiegelmaterialien, immer leistungsfähigere Kühlsysteme und immer effizientere Möglichkeiten zur Datenerfassung und Kommunikation erkennen. Dies führt zu einer feineren Winkelauflösung und enthüllt beispiellose Details.

Vergleich der Hauptspiegelgrößen und Temperaturen der weltweit größten Infrarot-Weltraumteleskope

Die menschliche Neugier ist groß. Es führt die Menschen dazu, die Wahrheit über den Ursprung des Universums und den Ursprung des Lebens zu erforschen. All dies erfordert die technische Unterstützung von Infrarot-Weltraumteleskopen. Nur durch diese kalten Teleskope müssen die Menschen keine Angst davor haben, dass ihnen die Wolken die Sicht versperren, und können die leidenschaftlichen Herzen ganzer Generationen entfachen.