Das Euclid-Weltraumteleskop will die Dunkelheit erforschen

Am 1. Juli wurde das Euclid-Weltraumteleskop der ESA an Bord einer Falcon-9-Rakete ins All geschossen. Das nach dem Vater der antiken griechischen Geometrie benannte Teleskop beginnt eine mindestens sechsjährige Mission zur Erforschung dunkler Materie und dunkler Energie im Weltraum. Warum also begab sich „Euklid“ ins Universum, um nach „Dunkelheit“ zu suchen? Welche besonderen Fähigkeiten sind für die Erfüllung der Aufgabe erforderlich? Welche Herausforderungen muss es hierfür bewältigen?

Die Geheimnisse des „dunklen“ Universums unermüdlich enthüllen

Das Weltraumteleskop Euclid ist eine Mission mittlerer Größenordnung im Rahmen des Cosmic Vision-Programms der ESA, das die Form von über einer Milliarde Galaxien messen und die genauen Rotverschiebungen von zig Millionen Galaxien verfolgen soll. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, wird der Untersuchungsbereich des Euclid-Weltraumteleskops mehr als 35 % der Himmelskugel abdecken.

Die gesammelten Daten sollen künftig dazu dienen, den Expansionsprozess und die Entwicklung der Struktur des Universums in den letzten zehn Milliarden Jahren mit bisher unerreichter Genauigkeit zu bestimmen. Bildlich gesprochen wird dies den Astronomen dabei helfen, die Geometrie des Universums abzubilden. Daher ist es angemessen, das Weltraumteleskop nach Alexander Euklid zu benennen, dem antiken griechischen Mathematiker und Begründer der Geometrie.

Welcher Zusammenhang besteht also zwischen der Darstellung der Form des Universums und der Suche nach „Dunkelheit“? Wie sich herausstellte, hat das Planck-Weltraumobservatorium der ESA zwischen 2009 und 2013 die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung kartiert. Als im März 2013 die erste vollständige Himmelskarte veröffentlicht wurde, bezeichneten die Astronomen sie begeistert als „nahezu perfektes Universum“. Nachfolgende Studien haben gezeigt, dass das Universum aus 4,9 % gewöhnlicher Materie, 26,8 % dunkler Materie und 68,3 % dunkler Energie besteht.

Der Erfolg des Planck-Weltraumobservatoriums hat Forscher dazu veranlasst, die Frage zu beantworten: Was sind dunkle Materie und dunkle Energie?

Trotz zahlreicher Hypothesen ist es Wissenschaftlern bislang nicht gelungen, dunkle Materie im Labor nachzuweisen und auch keine überzeugende Erklärung für die Natur der dunklen Energie zu liefern. Man kann sagen, dass beide auf unbekannte physikalische Phänomene im Universum hinweisen. Insbesondere lässt sich dunkle Materie nicht durch das Standardmodell der Teilchenphysik erklären, und dunkle Energie scheint mit der Quantentheorie unvereinbar zu sein, und zwar so sehr, dass manchmal die Ansicht vertreten wird, „dunkle Materie und dunkle Energie seien falsche Annahmen“. So fand das Euclid-Weltraumteleskop seinen Platz.

Wissenschaftler befürchten sogar, dass das Euclid-Weltraumteleskop „nicht ausreicht“, und die NASA wird voraussichtlich im Jahr 2027 das Nancy Grace Roman-Weltraumteleskop starten. Dieser Detektor, benannt nach der „Mutter des Hubble-Weltraumteleskops“, soll die Form und Rotverschiebung von Galaxien im Laufe der Geschichte des Universums in einem kleineren Bereich messen und nach kosmischen Supernova-Ereignissen suchen. Bis dahin werden eine höhere Winkelauflösung und ein breiterer Wellenlängenbereich dafür sorgen, dass präzise Daten gewonnen werden, die den Wissenschaftlern dabei helfen, die Natur der allgemeinen Relativitätstheorie und der dunklen Energie auf kosmischer Ebene weiter zu erforschen.

Man kann sagen, dass sich die Missionen von Euclid und Roman ergänzen und dass sich überlappende Beobachtungen dazu nutzen lassen, die systematischen Fehler des jeweils anderen zu überprüfen, was zugleich die Hauptquelle der Unsicherheit in der hochpräzisen beobachtenden Kosmologie darstellt. Durch ihre Zusammenarbeit sollen die beiden zu einem tieferen Verständnis der Geheimnisse des Universums beitragen.

Fortschrittliche Technologie hilft, die Dunkelheit zu finden

Das Euclid-Weltraumteleskop hat eine Startmasse von etwa 2,1 Tonnen, ist etwa 4,5 Meter hoch und hat einen Durchmesser von 3,1 Metern. Es besteht aus zwei Hauptkomponenten: erstens dem Nutzlastmodul, das das Teleskop, die Fokalebenenanordnung des Instruments und einige elektronische Geräte zur Datenverarbeitung umfasst; zweitens das Servicemodul, das Energieverteilung, Lageregelung, Antrieb, Fernsteuerung, Telemetrie und Datenverarbeitungssysteme enthält.

Der Kern des Nutzlastmoduls ist ein gekühltes Dreispiegelteleskop auf der Achse, das ein Sichtfeld von 1,25 Grad × 0,727 Grad bieten kann und mit einem Wärmekontrollsystem und Feinführungssensoren zur Verbesserung der Beobachtungseffekte ausgestattet ist. Am Hauptspiegel befindet sich eine Aperturblende, der Durchmesser der Eintrittspupille beträgt 1,2 Meter, die Brennweite beträgt 24,5 Meter.

Um den Anforderungen der wissenschaftlichen Forschung gerecht zu werden, muss beispielsweise der interne Hintergrund viel niedriger sein als der ekliptische Himmelshintergrund, und das Weltraumteleskop muss bei einer niedrigeren Temperatur betrieben werden. Die Linsen und Trägerstrukturen bestehen aus ultrastabilem Siliziumkarbid mit einer Kältebeständigkeitsgrenze von etwa minus 33 Grad Celsius.

Instrumente zur Messung sichtbaren Lichts können qualitativ hochwertige Bilder und Bildschirme für schwach linsenförmige Galaxien liefern. Es besteht aus einer 12-Mikron-Pixel-CCD-Matrix und ist speziell für die Euclid-Mission optimiert. Es ist mit einem Breitbandfilter ausgestattet, der den Wellenlängenbereich von 550 bis 900 Nanometer abdeckt und verfügt über eine durchschnittliche Bildauflösung von etwa 0,23 Bogensekunden.

Das Nahinfrarotspektrometer und das Photometer werden für Bildmessungen und die Beobachtung von Rotverschiebungsinformationen mit Pixeln von nur 0,3 Bogensekunden Breite verwendet. Unter anderem wird der Photometriekanal mit drei Breitbandfiltern ausgestattet, die drei Wellenlängenbereiche von 900–1192 Nanometern, 1192–1544 Nanometern und 1544–2000 Nanometern abdecken. Der Spektralkanal wird mit 4 verschiedenen Nahinfrarotprismen mit niedriger Auflösung, 3 „roten“ Prismen und 1 „blauen“ Prisma ausgestattet sein, die „nahtlose“ Spektralaufnahmen ermöglichen.

Das Servicemodul wiederum trägt die meisten für den Betrieb der Nutzlast erforderlichen Subsysteme, darunter Telemetrie, Stromversorgung, Wärmeregelung sowie Lage- und Bahnkontrolle. Das Modul wird X- und K-Band-Kommunikation ermöglichen. Während der täglich vierstündigen Fernkommando- und Kommunikationsphase beträgt die wissenschaftliche Datenübertragungsrate im K-Band etwa 55 Megabit pro Sekunde. Um die große Menge an Daten zu speichern, die sich aus Beobachtungen ergeben, verfügt Euclid über einen Großspeicher von mindestens 2,6 TB. Um den Anforderungen hochpräziser Bildgebung gerecht zu werden, verfügt „Euclid“ über eine extrem stabile Richtwirkung mit einer Dispersion von weniger als 35 Millibogensekunden pro visueller Belichtung.

Das Euclid-Weltraumteleskop fliegt zum Lagrange-Punkt L2 zwischen Sonne und Erde, der etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist, und wird etwa einen Monat nach dem Start in eine Umlaufbahn mit großer Amplitude um diesen Punkt eintreten. Es kann Euclid optimale Betriebsbedingungen, eine günstige Strahlungsumgebung und sehr stabile Beobachtungsbedingungen bieten. Aus diesem Grund operieren die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, das James Webb Space Telescope und andere alle in ähnlichen Umlaufbahnen.

Künftig wird Euclid den Deep Sky im „Stepped Stare“-Modus durchmustern: Der Hauptspiegel zeigt in eine bestimmte Richtung und führt Bildgebungs- und Spektralmessungen in einem Bereich von etwa 0,5 Quadratgrad um diese Richtung herum durch. Während der sechsjährigen Missionsdauer wird sein Beobachtungsbereich schrittweise 15.000 Quadratgrad des Weltraums in der Milchstraße abdecken.

Euclid beobachtet jeden Tag angrenzende Gebiete entlang eines konstanten Großkreises der ekliptischen Länge und führt bei Bedarf ein Dithering durch, um die Abtastung zu verbessern, Detektorlücken zu füllen und eine vollständige Abdeckung des Sichtfelds sicherzustellen. Abhängig von der Geometrie und Breite des Sichtfelds des Instruments sowie den Integrations- und Belichtungszeiten pro Sichtfeld kann während der Auswertungsstudie ein Bereich von 15 bis 20 Grad pro Tag abgedeckt werden. Je nach Bedarf kann es Modi wie Tiefenüberwachung und Tiefenuntersuchung übernehmen, um unterschiedliche Bereiche abzudecken und Himmelskörper unterschiedlicher Größenordnung zu erkennen.

„Tiger“ beweist Krisenentschärfungskraft

Die Mission des Weltraumteleskops Euclid wurde im Juni 2012 vom Wissenschaftsprogrammkomitee der ESA ausgewählt, ihre Umsetzung verlief jedoch nicht reibungslos, und die größte Krise ereignete sich Ende Mai 2021.

Zu dieser Zeit begannen die Tests des Nutzlastmoduls in einer „Kaltvakuum“-Umgebung im Innenbereich des Lütticher Raumfahrtzentrums in Belgien. Bei routinemäßigen Umwelttests zeigten Nahinfrarotspektrometer und -photometer recht gute Ergebnisse. Beim Test in der Umgebung „Kaltvakuum“ wurde jedoch festgestellt, dass die entsprechende Ausrüstung die zweite Sammlung nicht rechtzeitig starten konnte, nachdem die erste Sammlung abgeschlossen war. Dies entspricht der Verwendung einer High-End-Digitalkamera. Nach einem schönen Foto möchten wir noch ein weiteres machen, doch der Kameraverschluss reagiert nicht mehr. Das Problem besteht darin, dass das Euclid-Weltraumteleskop darauf ausgelegt ist, täglich 850 GB Daten zu übertragen, und es offensichtlich nicht in der Lage ist, „ein Bild aufzunehmen und die Kamera neu zu starten“.

Das Problem konnte eine Zeit lang nicht ermittelt werden. Möglicherweise lag es an Signalrauschen bei der Datenübertragung, an elektromagnetischen Störungen von anderen Orten oder sogar an einer unzureichenden Kabelerdung. Um die Grundursache des Problems zu finden, führten die Wissenschaftler einen zweiten „Kaltvakuum“-Test durch, der den Forschungszeitplan um mehrere Monate verlängerte und den ursprünglichen Startplan verzögerte.

Um diese Krise zu lösen, bildeten die ESA und relevante Branchenexperten ein „Tiger-Team“, das nach sorgfältiger Untersuchung das Problem erfolgreich identifizierte: Es handelte sich um einen Softwarefehler und nicht um ein physisches Problem. Da sich die Kabelkonfiguration im Vergleich zum vorherigen Test geringfügig geändert hat, hat sich die Signalübertragungszeit vom Sensor zur Computerschnittstelle geändert. Die Software kam fälschlicherweise zu dem Schluss, dass die Zeitänderung auf einen „Fehler“ in der Telemetrie- und Fernsteuerungsschnittstelle für die Sensoren des Instruments zurückzuführen sei, und schaltete es ab. Darüber hinaus kommt es auch bei niedrigen Temperaturen zu Verzögerungen von wenigen Milliardstel Sekunden. Schließlich lösten die Forscher das Problem mit einem Software-Patch.

Die Experten des „Tiger-Teams“ fassen die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und sind der Ansicht, dass es beim Umgang mit solch komplexer Software notwendig ist, auf den Schnittstellenbereich zwischen Hardware und Software zu achten und eine koordinierte Einheit zu erreichen. Durch die Zusammenarbeit verschiedener Firmen oder Ingenieure können leicht Missverständnisse und Probleme entstehen, was höhere Anforderungen an die Projektkoordination und das Projektmanagement stellt.

Das Streben der Forscher nach Exzellenz hat ein leistungsstarkes Nutzlastmodul und präzise Orbitalberechnungen hervorgebracht, die das Euclid-Weltraumteleskop bei seinem Versuch unterstützen werden, Milliarden von Galaxien abzubilden, die 10 Milliarden Lichtjahre entfernt sind und mehr als ein Drittel des Himmels abdecken. Dies soll den Astronomen dabei helfen, die Expansionsgeschichte des Universums und die Wachstumsrate der kosmischen Struktur zu messen, eine detaillierte Charakterisierung der dunklen Materie und der dunklen Energie zu ermöglichen und die allgemeine Relativitätstheorie auf kosmischer Ebene zu testen.

Darüber hinaus wird „Euclid“ auch andere kosmologische Forschungen durchführen, etwa die Struktur des Universums analysieren, die Masse von Neutrinos bestimmen usw., um die menschliche Neugier zu befriedigen und das Universum weiter zu erforschen. (Autor: Liang Lei, Gutachter: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)