Der Sternenschirm ist wie ein Blütenblatt, der Hauptspiegel wie eine Honigwabe... Sehen Sie sich die einzigartigen Designs astronomischer Teleskope an

Medienberichten zufolge plant China am 16. März bis Ende 2023 den Start eines neuen Röntgensatelliten namens Einstein Probe. Er soll den ersten Lichtstrahl einer Supernova-Explosion einfangen, bei der Suche und genauen Lokalisierung der Quelle von Gravitationswellen helfen und weiter entfernte und schwächer leuchtende Himmelskörper im Universum sowie flüchtige, mysteriöse astronomische Phänomene entdecken.

Berichten zufolge ließen sich Wissenschaftler von den einzigartigen Fokussierungs- und Abbildungsprinzipien der Hummeraugen inspirieren und entwarfen ein spezielles neues Röntgenteleskop mit einem ultragroßen Beobachtungssichtfeld und höherer Detektionsempfindlichkeit.

Das heißt, dieses Teleskop kann einen sehr großen Bereich erkennen und gleichzeitig auch das dunklere und weiter entfernte Universum sehen. Dank der Verwendung der Lobster Eye-Teleskoptechnologie kann der Einstein Probe-Satellit Himmelsdurchmusterungen mit großem Sichtfeld, hoher Empfindlichkeit und schneller Zeitdomäne im weichen Röntgenbereich durchführen, der derzeit wenig bekannt ist.

Tatsächlich gibt es viele Teleskope, die so genial sind wie das „Lobster Eye“. Sie reisen entweder durch das Universum oder lassen sich auf der Erde nieder und tragen zur Erforschung der Geheimnisse des Universums bei.

Guo Shoujing-Teleskop

Glasfaser mit Spiegeln, Sie können das Beste aus beiden Welten haben

Bildquelle: National Astronomical Observatory

Im Bereich der Konstruktion astronomischer Teleskope gab es schon immer das Problem, dass man nicht alles haben kann: den Widerspruch zwischen großer Öffnung und großem Sichtfeld. Einfach ausgedrückt: Sie können nicht beides haben: „weit sehen“ und „weiträumig sehen“.

Das Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST), auch bekannt als Guo Shoujing Telescope, befindet sich im Kreis Xinglong in der Provinz Hebei und wurde ursprünglich entwickelt, um den Widerspruch zwischen der großen Apertur und dem großen Sichtfeld astronomischer Teleskope aufzulösen und so China den Weg für die eigenständige Entwicklung von Teleskopen mit großer Apertur zu ebnen.

Die Gesamtstruktur von LAMOST ist ein Schmidt-Spiegelteleskop. Das Licht aus dem Universum wird zunächst von einem flachen Primärspiegel namens MA auf einen sphärischen Primärspiegel namens MB reflektiert. Das Licht wird dann auf die Brennebene von MB fokussiert. Auf der Brennebene begrüßen 4.000 Glasfasern das Licht. Diese optischen Fasern leiten das Licht aus verschiedenen Richtungen präzise in das Spektrometer. Dank dieser 4.000 Glasfasern kann LAMOST theoretisch bis zu 4.000 verschiedene Sterne gleichzeitig beobachten. Dies entspricht dem Erhalt eines extrem großen Sichtfelds. Daher ist LAMOST nicht in der Lage, so schöne Fotos von Himmelskörpern aufzunehmen wie herkömmliche optische Teleskope. Stattdessen erfasst es die Spektren von Himmelskörpern.

Darüber hinaus ist die aktive optische Technologie die zentrale Schlüsseltechnologie von LAMOST. Bei der sogenannten aktiven Optik wird die Form der Linse aktiv verändert, um die Auswirkungen der durch Schwerkraft, Temperatur und Wind verursachten Verformung des Spiegels selbst auf die Abbildung zu überwinden und so das Bild klarer zu machen. Bei einem großen Spiegel ist es schwierig, präzise Einstellungen vorzunehmen. Die MA- und MB-Primärspiegel von LAMOST bestehen aus 24 bzw. 37 kleinen hexagonalen Spiegeln. Das Forschungs- und Entwicklungsteam hat hinter jeder Linse Aktuatoren entworfen und installiert. Neben der Aufnahme des Spiegelgewichts besteht die wichtigere Funktion dieser Aktuatoren darin, die Form des Spiegels anzupassen.

Mithilfe aktiver optischer Technologie ist durch Computeralgorithmen eine Echtzeitanpassung kleiner Spiegel auf Tausendstelebene möglich, sodass sich die kleinen Spiegel je nach Beobachtungsbedarf verformen und jeder kleine Spiegel konfokal wird. Tausende Kraftaktuatoren steuern die kleinen Spiegel, aus denen die MA besteht, in Echtzeit, um die gewünschte Form zu erreichen und das Bild klarer zu machen.

LAMOST hat auf kreative Weise mehrere Technologien eingesetzt, um den Engpass zu überwinden, der darin besteht, sowohl eine große Öffnung als auch ein großes Sichtfeld für Teleskope zu erreichen, und hat außerdem eine Reihe von Beobachtungsergebnissen erzielt. Im März 2019 wurden die siebenjährigen Spektraldaten der LAMOST-Umfrage offiziell veröffentlicht. Sie enthalten 11,25 Millionen Spektren, was etwa der doppelten Gesamtzahl der von anderen internationalen Umfrageprojekten veröffentlichten Spektren entspricht. Bisher ist LAMOST das weltweit erste Spektraluntersuchungsprojekt, das mehr als 10 Millionen Spektren erfasst hat.

HabEx-Teleskop

Oder verwenden Sie "Blütenblätter", um das Licht der Sterne zu blockieren

Das HabEx-Teleskop, das Habitable Exoplanet Observatory. Berichten zufolge können damit Planeten, die andere Sterne umkreisen, direkt fotografiert werden. Seine Beobachtungsziele sind alle Arten von Planeten, vom heißen Jupiter bis zur Supererde, aber seine Hauptaufgabe besteht in der Beobachtung erdähnlicher Exoplaneten.

Mit anderen Worten: Das HabEx-Teleskop wird versuchen, Lebenszeichen auf Planeten zu entdecken, die andere Sterne umkreisen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss das HabEx-Teleskop das Licht eines Sterns blockieren, damit es dunkle Planeten um diesen Stern herum erkennen kann.

HabEx blockiert das Licht eines Sterns zunächst durch die Installation eines Koronographen, einer winzigen Struktur im Inneren des Teleskops, die das Licht eines Sterns blockiert. Das schwache Licht von Objekten rund um den Stern wird von den Sensoren des Teleskops abgebildet. Das Teleskop verfügt über einen speziellen verformbaren Spiegel, der fein abgestimmt und angepasst werden kann, bis schwach leuchtende Planeten in Sicht kommen.

Die zweite Möglichkeit, mit der das HabEx-Teleskop das Sternenlicht blockiert, besteht in der Verwendung eines Sternschirms. Dabei handelt es sich um einen blütenblattförmigen, fußballfeldgroßen Schild vor dem Teleskop, der das Licht des Sterns blockiert, aber das vom Planeten reflektierte Licht auf die Instrumente des Teleskops treffen lässt.

Neben seiner Hauptaufgabe, der Beobachtung erdähnlicher Exoplaneten, wird das HabEx-Teleskop auch für astrophysikalische Forschungen eingesetzt, etwa zur Beobachtung des frühen Universums und zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung massereicher Sterne vor und nach ihrer Explosion als Supernovas.

Chinas Himmelsauge

Besitz einer „Netzhaut“ und einer „Pupille“

Panoramablick auf „Chinas Himmelsauge“ (aufgenommen während Wartungsarbeiten, Drohnenfoto). Foto: Xinhua News Agency-Reporter Ou Dongqu

Wenn von astronomischen Teleskopen die Rede ist, denken viele Leute meiner Meinung nach an den „großen Topf“ in der Karstsenke von Qiannan in der Provinz Guizhou in meinem Land – das Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST).

FAST, bekannt als „China Sky Eye“, ist derzeit das weltweit größte und empfindlichste radioastronomische Teleskop mit einer einzigen Apertur. Das Design dieses „großen Topfes“ unterscheidet sich von den weltweit existierenden Radioteleskopen mit Einzelapertur, was sich hauptsächlich in seiner „Netzhaut“ und „Pupille“ widerspiegelt. „Retina“ bezeichnet die reflektierende Oberfläche und „Pupille“ die Zufuhrkabine.

Die „Netzhaut“ von FAST ist eine aktive reflektierende Oberfläche, die aus 4.500 reflektierenden Einheiten besteht. Die Kabelnetzstruktur ist die Hauptstützstruktur der aktiven Reflexionsoberfläche von FAST. Es kann seine eigene Form ändern und manchmal zu einer Kugel und manchmal zu einer Parabel werden. So wie ein Segler die Richtung des Segels durch Ziehen am Kabel steuern kann, kann die Richtung des „Topfes“ durch Ziehen am Stahlkabelnetz geändert werden, und der gesamte Änderungsprozess wird durch ein Laserpositionierungssystem kalibriert.

Das Designziel von „Retina“ besteht darin, auf einer Fläche von der Größe einer kleinen Pille Signale in der Reichweite von 30 Fußballfeldern zu sammeln und die schwachen Radiosignale im Universum so weit wie möglich zu überwachen. Der in der Feederkabine platzierte Feeder ist für den Empfang kosmischer Signale zuständig – ähnlich einem hornartigen Gerät zum Auffangen von Satellitensignalen. Die schwebende Futterkabine sieht aus wie ein „Schüler“, der ins Universum blickt. Es wiegt 30 Tonnen und wird an 6 über 400 Meter langen Stahlkabeln aufgehängt. Die Bewegungsreichweite beträgt bis zu 200 Meter. Die Verschiebung jedes Teils des Kabelnetzes und des Empfängers in der Zuführkabine muss auf Millimeterebene kontrolliert werden, damit FAST normal funktionieren und die Geheimnisse des Universums „klar sehen“ kann.

Seit der nationalen Zulassung am 11. Januar 2020 hat FAST eine Reihe wichtiger wissenschaftlicher Ergebnisse in astronomischen Grenzbereichen erzielt, beispielsweise bei der Messung der Spektrallinien interstellarer Magnetfelder mit neutralem Wasserstoff, bei schnellen Radioblitzen und bei der Suche nach Pulsaren.

James Webb-Weltraumteleskop

Riesiger „Wabenspiegel“ enthüllt Geheimnisse des Universums

Das im Weltraum stationierte James-Webb-Weltraumteleskop. Bildnachweis: NASA Animator

Am 25. Dezember 2021 wurde das James Webb-Weltraumteleskop ins All geschossen. Als Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops wurde das James Webb-Weltraumteleskop mit Spannung erwartet. Nach mehreren Verzögerungen wurde es schließlich gestartet und erfüllte die Erwartungen mit vielen bahnbrechenden Ergebnissen, die es den Menschen ermöglichen, klarer in die fernen Tiefen des Universums zu blicken. Diese Erfolge sind alle einem wabenförmigen „großen Spiegel“ zu verdanken.

Das James-Webb-Weltraumteleskop, das hauptsächlich im Infrarotbereich beobachtet, besteht aus optischen und wissenschaftlichen Instrumenten, einem Sonnenschutz und einem Trägersystem namens „Spacecraft Bus“ mit einem Gesamtgewicht von 6,2 Tonnen.

Das optische Modul des James-Webb-Weltraumteleskops verwendet ein „Drei-Spiegel-Anastigmatismus-System“: Das vom Primärspiegel eingefangene Infrarotlicht wird vom Sekundärspiegel und vom Tertiärspiegel reflektiert und dann über den Feinlenkspiegel an das wissenschaftliche Instrumentenmodul übertragen. Der riesige Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 6,5 Metern ist das auffälligste Merkmal des James Webb-Weltraumteleskops. Es besteht aus 18 sechseckigen Linsen und seine Lichtsammelfläche ist mehr als fünfmal so groß wie die seines „Vorgängers“, des Hubble-Weltraumteleskops. Der Sekundärspiegel wird von drei langen Armen getragen, die von der Vorderseite des Primärspiegels ausgehen, und der Tertiärspiegel und der Feinsteuerungsspiegel sind in der erhabenen schwarzen „Nasenspitze“ in der Mitte des Primärspiegels platziert.

Um empfindliche Infrarotsignale vor Störungen durch Weltraumstrahlung zu schützen, muss das James-Webb-Weltraumteleskop in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen von etwa minus 220 Grad Celsius betrieben werden. Sein Primärspiegel, Sekundärspiegel und Tertiärspiegel bestehen alle aus metallischem Beryllium. Dieses Metall hat eine geringe Dichte, eine relativ hohe Härte und neigt bei niedrigen Temperaturen nicht zum Schrumpfen und Verformen. Die Oberfläche der Linse wird mit einer nur 100 Nanometer dicken Goldschicht besprüht, deren Zweck darin besteht, die Infrarotreflexionsleistung des Spiegels zu optimieren.

Das integrierte wissenschaftliche Instrumentenmodul befindet sich auf der Rückseite des Hauptspiegels und umfasst eine Nahinfrarotkamera, ein Nahinfrarotspektrometer, einen Nahinfrarotbildgeber, ein nahtloses Spektrometer, ein Mittelinfrarotinstrument und weitere Geräte. Sie werden das vom James-Webb-Weltraumteleskop gesammelte Licht analysieren und abbilden.

Ein riesiger, drachenförmiger Sonnenschutz unter dem Hauptspiegel schützt das James Webb-Weltraumteleskop vor der Strahlung von Sonne, Erde und Mond. Der Sonnenschirm hat annähernd die Größe eines Tennisplatzes und ist als 5-lagiger Folienaufbau aus aluminiumbeschichtetem Polyimid aufgebaut. Die äußere, der Sonne zugewandte Schicht ist 0,050 mm dick, die anderen Schichten sind 0,025 mm dick. Der Sonnenschutz trennt das Teleskop in eine kalte und eine heiße Seite, eine zum Weltraum und eine zur Sonne gerichtet, mit einem maximalen Temperaturunterschied von über 300 Grad Celsius.

Die Veröffentlichung der ersten Serie von Vollfarbbildern aus dem tiefen Weltraum, die erste direkte Fotografie eines Exoplaneten, die Entdeckung der bislang am weitesten entfernten Galaxie und das Durchdringen von Staubschichten, um das Innere von Galaxien zu erforschen... Seit seinem Start hat das James Webb-Weltraumteleskop den Menschen zu viele Überraschungen beschert. Heute treibt es weiterhin durch den Weltraum und erforscht ständig die Geheimnisse der frühen Entstehung des Universums.

Wissenschafts- und Technologie-Tagesreporter Wei Yichen

Quelle: Science and Technology Daily