Wird Webb erneut „abtauchen“? Die Wendungen vor dem Start des Weltraumteleskops

Foto zum 10. Jahrestag des Spitzer-Teleskops. Bildnachweis: NASA

Es war noch nie einfach, ein Teleskop in den Weltraum zu schicken. Kürzlich gab die NASA erneut die Verschiebung des Starts des James-Webb-Weltraumteleskops bekannt. Webbs Vorgänger, das Spitzer-Weltraumteleskop (SST), durchlief vom ersten Konzeptvorschlag über die Genehmigung und den Bau bis hin zum Start viele Wendungen. Der Entwurf wurde mehrere Male überarbeitet und es dauerte mehr als 30 Jahre.

Im ursprünglichen Plan hieß das Spitzer-Weltraumteleskop zunächst „Spacecraft-borne Infrared Telescope“ (SIRTF, S=Shuttle) und wurde später in „Space Infrared Telescope“ (SIRTF, S=Space) umbenannt. Der offizielle Name „Spitzer“ wurde erst vor der Markteinführung vergeben.

Die Namensänderungen des Spitzer-Weltraumteleskops spiegeln direkt die Geschichte dahinter wider. Im ersten Entwurf von 1971 war vorgesehen, es als Teil der Nutzlast auf dem damals gerade erschienenen Raumfahrzeug unterzubringen. In den nächsten zwölf Jahren werden das Ames Research Center und kommerzielle Fluggesellschaften an der Entwicklung und Konstruktion eines 1-Meter-Weltraumteleskops auf der Grundlage eines raumgestützten Weltraumteleskops arbeiten.

1983 war ein Meilensteinjahr für das Spitzer-Teleskop. Die NASA rief zur Bereitstellung von Instrumenten auf und wählte schließlich drei Teams unter der Leitung von Giovanni Fazio, Jim Houck und George Rieke aus. Diese drei Gruppen entwickelten später die endgültigen Endinstrumente: das Nahinfrarot-Photometer IRAC, das Mittelinfrarot-Spektrometer IRS und das Mittelinfrarot-Photometer MIPS. SIRTF bildete die erste wissenschaftliche Arbeitsgruppe, deren Mitglieder größtenteils bis zum endgültigen Start des Spitzer-Teleskops zwanzig Jahre später am Projekt blieben. Aufgrund verschiedener Rückschläge und Verzögerungen hat sich auch das Design des Spitzer-Teleskops geändert, vom ursprünglichen Weltrauminstrument zu einem Mitglied des „Great Space Telescope Project“ der NASA. Mit der Erfindung und Realisierung autonomer Fluggeräte für große Höhen (100.000 Kilometer) wurde das Spitzer-Teleskop zu einem riesigen, in Kryogen getauchten Infrarot-Weltraumteleskop umgestaltet und das „Shuttle“ in seinem Namen in „Space“ geändert.

Das erste Treffen der Science Working Group des Spitzer-Teleskops (damals SIRTF genannt) fand 1984 am Ames Institute statt. Hintere Reihe, von links: George Newton (NASA-Projektmanager), Dan Gezari (NASA Goddard Center), Ned Wright, Michael Jura (UCLA), Michael Werner, Fred Witteborn (Ames Institute). Vorderste Reihe, von links: Giovanni Fazio (Smithsonian Center for Astrophysics), George Rieke (University of Arizona), Nancy Boggess (NASA-Projektwissenschaftlerin), Jim Houck (Cornell University), Frank Low (University of Arizona), Terry Herter (Cornell University). Copyright: Michael Werner

Der Start von SIRTF, dessen ursprünglicher Start für 1991 geplant war, wurde jedoch in letzter Sekunde abgesagt. Dies war hauptsächlich auf den Aufprall des Hubble-Teleskops zurückzuführen (der Hauptspiegel des Hubble-Teleskops hatte bereits beim Start ins All Fokussierungsprobleme, und nach zahlreichen Außenbordeinsätzen der Astronauten wurde die Wartungsmission 1994 abgeschlossen). Zu dieser Zeit schlug Johnny Kwok, ein Projektingenieur am Jet Propulsion Laboratory der NASA, im Jahr 1992 vor, die Umlaufbahn von der ursprünglichen hochgelegenen Erdumlaufbahn in eine Sonnenumlaufbahn zu ändern. Dadurch wird nicht nur die Beeinflussung der Infrarotinstrumente durch die von der Erde abgegebene Wärme vermieden, sondern auch sichergestellt, dass die Solarmodule des Teleskops einen festen Sonneneinstrahlungswinkel haben, wodurch die thermische Stabilität des Instruments verbessert wird.

Darüber hinaus vergrößert die Konstruktion der Sonnenumlaufbahn auch den Beobachtungsbereich des Teleskops, sodass 40 % der Himmelskugel jederzeit beobachtbar sind und so die Voraussetzungen für wiederholte Langzeitbelichtungen im Weltraum geschaffen werden. Tiefere Belichtungen ermöglichen einen Blick auf das schwächer leuchtende und weiter entfernte Universum, während die wiederholte Beobachtung desselben Himmelsbereichs auch zeitbereichsbezogene astronomische Beobachtungen erleichtert. Nachdem dieser Vorschlag zur Aktualisierung der Umlaufbahn vorgelegt worden war, erhielt er sofort breite Unterstützung in der astronomischen Gemeinschaft.

Später, bei einem Treffen im Jahr 1993, beschlossen die Astronomen nach hitzigen Diskussionen, das ursprüngliche „große und vollständige“ Design in ein „kleines und exquisites“ Design umzuwandeln und nur die wichtigsten Instrumente beizubehalten, um die dringendsten wissenschaftlichen Probleme zu lösen. Nach diesem Prinzip und unter der Voraussetzung, dass die Größe des Teleskops selbst unverändert bleibt, wurde der ursprüngliche Entwurf, das Teleskop vollständig in flüssiges Helium einzutauchen, durch einen neuen Plan ersetzt, bei dem es bei Raumtemperatur gestartet und nach Erreichen der Weltraumumlaufbahn mit flüssigem Helium gekühlt wird, wodurch der Verbrauch von flüssigem Helium und die Startnutzlast erheblich reduziert werden. Beim neuen Design sind alle Endgeräte fest montiert, sodass nur noch eine Instrumentenkomponente bewegt werden muss (der Scanspiegel von MIPS). Versuchen Sie, den Erfolg des Teleskops mit minimalen Variablen sicherzustellen.

Aktuelles Foto des im Reinraumlabor zusammengebauten Teleskops. Bildnachweis: NASA/SSC

Der Entwurf der gesamten Hardware wurde im Wesentlichen im Jahr 1996 abgeschlossen. Huang Jiasheng, ein Forscher am National Astronomical Observatory, war vor dem Start des Spitzer-Weltraumteleskops Ende der 1990er und Anfang der 2000er Jahre an der Fehlerbehebung des IRAC-Instruments beteiligt. Er diktierte eine Anekdote. Das IRAC-Instrument im Laborstadium war ursprünglich wie eine gewöhnliche Kamera mit einem Verschluss ausgestattet, um die Belichtungszeit genau abzuschätzen und auch den Hintergrund unter Dunkelkammerbedingungen zu messen. Die Testergebnisse des Labors waren sehr gut. Kurz nachdem das IRAC-Instrument am Teleskop installiert worden war, kam es jedoch während des Tests versehentlich zu einem Verschlussfehler und der Verschluss blieb in der geschlossenen Position stehen. Geschieht dies nach dem Start, ist dies ein „Tod vor der Fertigstellung“, was direkt bedeutet, dass das Instrument nicht richtig funktionieren kann. Das IRAC-Team war sehr besorgt und rief umgehend zehn Ingenieure zusammen, um die Ursache zu untersuchen. Sie fanden schließlich heraus, dass die Fehlfunktion des Verschlusses durch die Magnetisierung des Metallstabs verursacht wurde, und lösten das Problem, indem sie die Stromrichtung umkehrten. Trotzdem entschied sich die NASA in der Endphase des Starts nach Abwägung der Risiken, den Verschluss nicht zu verwenden und IRAC in den Weltraum „öffnen“ zu lassen, um mögliche Risiken weiter zu vermeiden.

In Bezug auf die Software hat das Infrared Processing and Analysis Center (IPAC) des California Institute of Technology speziell zu diesem Zweck das Spitzer Space Telescope Science Center eingerichtet, das für die Datenverarbeitung und -analyse verantwortlich ist und Bewerbungen für Beobachtungsprojekte aus aller Welt entgegennimmt. Das Hintergrundproblem, das dem obigen Verschluss entspricht, wird durch nachträgliche Datenverarbeitung geschätzt und entfernt. Ähnlich ereignete sich ein Unfall mit dem IRS-Instrument des Spitzer-Teleskops, bevor es ins All geschossen wurde. Auf dem Filter ist ein kleiner Riss aufgetreten und die daraus resultierenden Beugungsstreifen würden die Qualität der Beobachtungsdaten direkt beeinträchtigen. Doch der Start stand unmittelbar bevor und es war zu spät, einen neuen Filter zu schleifen. Wir konnten nur beten, dass der Schub beim Start den Riss nicht vergrößern würde. Glücklicherweise verliefen der Start und der Eintritt in die Umlaufbahn reibungslos und die Risse veränderten sich nicht. In der späteren Phase der Datenverarbeitung entfernte das Bodenpersonal den Einfluss dieses Interferenzterms auf das Spektrum effektiv, indem es die Beugungsstreifengleichung löste.

Während des wiederholten Demonstrationsprozesses wurde der damalige Konkurrent von SIRTF, das Infrarot-Weltraumobservatorium ISO der 60-Zentimeter-Klasse der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), 1995 gestartet und 1998 außer Dienst gestellt. ISO liefert Bild- und Spektralinformationen im mittleren und fernen Infrarot bei 2,4–240 μm bzw. 25–197 μm. Obwohl der endgültige Spiegel des Spitzer-Teleskops nur 85 Zentimeter misst, was keine große Verbesserung zu sein scheint, hat das Spitzer-Teleskop aufgrund der rasanten technologischen Entwicklung vom Empfänger- bis zum Steuerungssystemdesign im gleichen Zeitraum seine Erkennungsempfindlichkeit, Effizienz und Genauigkeit im Vergleich zum ursprünglichen Design um mehr als eine Größenordnung verbessert. Allein anhand der beobachteten Nettogeschwindigkeit hat sich die Geschwindigkeit zwischen 1986 und 2003 um mehr als das Tausendfache erhöht. Obwohl das Spitzer-Teleskop unter den Infrarot-Weltraumteleskopen der gleichen Zeit zuerst entwickelt und dann hergestellt wurde, übertrafen seine wissenschaftlichen Entdeckungen, insbesondere in der Galaxienkosmologie, die seiner Konkurrenten bei weitem und übertrafen sogar die Vorstellungskraft, als es erstmals entworfen wurde. Sogar die mit dem Spitzer-Teleskop verbundenen Astronomen sagten oft: „Keine Sorge, das Mooresche Gesetz wird Ihnen helfen, die meisten Probleme zu lösen“, wenn sie später die 30 Jahre lange Wartezeit und Beharrlichkeit erwähnten.

Die Designänderungen, die das Spitzer-Teleskop von Anfang der 1990er Jahre bis zu seiner endgültigen Einführung durchlief, spiegelten sich hauptsächlich in der Größe des Instruments wider. Die erwartete Lebensdauer und die Größe des Teleskops blieben im Wesentlichen unverändert, aber das Budget und das Gewicht des Instruments wurden erheblich reduziert. Quelle: Werner/Michael/Eisenhardt/Peter/ More Things in the Heavens (Princeton Press)

Obwohl bei der Konzeption der Schwerpunkt auf „klein und präzise“ lag, ist das abgedeckte wissenschaftliche Gebiet dank der leistungsstarken Infrarot-Beobachtungsfähigkeiten des Spitzer-Teleskops endlos und reicht vom Sonnensystem, der Planetenentstehung und Exoplaneten bis hin zu Sternen und Nebeln, Galaxien und der Kosmologie, was unser Verständnis des Universums direkt auf eine neue Ebene bringt. Es wurden die Cepheiden in der Großen Gerstenwolke und die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion genauer gemessen. in Zusammenarbeit mit HST wurden Masse und Alter von Galaxien im frühen Universum während der Reionisierungsphase (650 Millionen Jahre nach dem Urknall) ermittelt; Durch die Messung der Temperatur und Strahlung des Staubs zeichnete es die Geschichte der Sternentstehung im Laufe der Alterung des Universums auf und entdeckte, dass unser Universum drei Milliarden Jahre nach dem Urknall (Rotverschiebung 2-3) seinen Wachstumshöhepunkt (Sternentstehungshöhepunkt) erreicht hatte und sich in den darauffolgenden zehn Milliarden Jahren in einem Abwärtstrend befand. Dabei wurde festgestellt, dass es im frühen Universum viele Galaxienhaufen gab, was für unser Verständnis der großräumigen Struktur und Entwicklung des Universums von großer Bedeutung ist. Darüber hinaus hat das Spitzer-Teleskop auch eine große Zahl staubreicher aktiver Galaxienkerne entdeckt. Dabei handelt es sich um supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien, die die umgebende Materie pausenlos absorbieren. Aufgrund der Staubschicht sind diese Löcher im optischen System meist nur schwer zu erkennen.

In der Milchstraße hat das Spitzer-Teleskop die Entstehung junger Sterne in Wolken beobachtet und Spuren der Planetenentstehung und protoplanetarer Scheiben um Braune Zwerge entdeckt. Darunter könnten sich die der Erde am nächsten gelegenen Exoplaneten befinden. Während seiner gesamten Lebensdauer und insbesondere während der mehr als zehnjährigen Betriebszeit im „Thermalmodus“ konzentrierte sich das Spitzer-Teleskop auf die Identifizierung und Beobachtung erdnaher Asteroiden, Kometen innerhalb des Sonnensystems und Planetensystemen außerhalb des Sonnensystems. Die bekannteste davon ist die Entdeckung des Trappist-1-Systems mit sieben erdgroßen Planeten. Viele dieser extrasolaren Planetensysteme sind unserem Sonnensystem sehr ähnlich. Dies beweist einerseits, dass unser Sonnensystem selbst in Bezug auf Struktur und Zusammensetzung nichts Besonderes ist; Andererseits bietet es auch eine Richtung für die Erforschung möglicher Lebensformen und möglicher Lebensräume außerhalb der Erde.

Eine künstlerische Darstellung des vom Spitzer-Teleskop entdeckten TRAPPIST-1-Systems zeigt einen ultrakühlen roten Zwergstern, TRAPPIST-1, etwa 40 Lichtjahre von der Erde entfernt, umgeben von sieben erdgroßen Planeten. Mit zunehmender Entfernung vom Stern verdunstet das Wasser entweder aufgrund übermäßiger Hitze (in der Abbildung als Wasserdampf dargestellt) oder kondensiert aufgrund übermäßiger Abkühlung zu Eis. Im richtigen Zwischenabstand kann Wasser in flüssiger Form vorliegen. Dieser Bereich gilt als für Leben geeignet und wird als „bewohnbare Zone“ bezeichnet. Copyright / NASA / JPL-Caltech / R.Hurt (IPAC)

Ursprünglich war eine Betriebsdauer des Spitzer-Teleskops von fünf Jahren geplant, das Kühlmittel war jedoch nur auf eine Betriebsdauer von 2,5 Jahren ausgelegt. Tatsächlich ist die durch die Erwärmung des Instruments und den natürlichen Temperaturanstieg verursachte Verdampfung des flüssigen Heliums im Vergleich zum ursprünglichen Design der flüssigen Heliumsuppe gut kontrolliert. Das Spitzer-Teleskop arbeitet seit insgesamt 6 Jahren im „Kaltmodus“ bei der für den Betrieb erforderlichen niedrigen Temperatur (5 Kelvin, -268 Grad Celsius). Nachdem das Kühlmittel verbraucht war, arbeitete das Spitzer-Teleskop noch über zehn Jahre lang im „Thermomodus“ weiter und nutzte die Eigenstrahlung des Instruments zur Abkühlung. Als das Geräusch aufgrund der steigenden Systemtemperatur zunahm, wechselte das System in den „Hot-Modus“ und IRS und MIPS funktionierten nicht mehr. Die verbleibenden 3,6-Mikron- und 4,5-Mikron-IRACs blieben viele Jahre lang stark, bis sie am 31. Januar 2020 offiziell außer Dienst gestellt wurden, da ihre Mittel erschöpft waren. Sie waren insgesamt 16 Jahre und 4 Monate im Orbit und übertrafen damit die ursprünglich geplante Betriebszeit von 5 Jahren bei weitem.

——Ausgewählt aus der Novemberausgabe 2021 von China National Astronomy

Über den Autor/

Dai Yu ist Forscher am Nationalen Astronomischen Observatorium Chinas. Sein Forschungsschwerpunkt ist die Multibandbeobachtung der Entstehung und Entwicklung von Galaxien.

Novemberausgabe von „China National Astronomy“

Herausgeber/Huaichen Huan

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