Ein Beitrag von Mirko Buggel. Quelle: ESA, Roskosmos.

ESA und Roskosmos meldeten Ende Juli 2020 überraschende Messergebnisse von Bord der russisch-europäischen Sonde ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO). Mit Hilfe des hochempfindlichen Spektrometers ACS (Atmospheric Chemistry Suite) wurden Kohlendioxid CO₂ und Ozon O₃ in dem Bereich des Infrarotspektrums nachgewiesen, wo man eigentlich Methan erwartete. Grundlage ist die Auswertung der Daten eines Marsjahres. Das ist etwa seit Beginn der Arbeit im Marsorbit seit Frühling 2018.

Der TGO war am 14. März 2016 vom russischen Kosmodrom im kasachischen Baikonur mit einer Proton-Rakete gestartet. Während der TGO am 19. Oktober 2016 wie geplant die Bahn um den Mars erreichte, konnte mit der später abgesetzten Landesonde Schiaparelli kein Kontakt hergestellt werden. Mit dieser sollten Landetechniken auf dem Mars für spätere Missionen erprobt werden.

Hauptziel der ExoMars-TGO-Mission ist die Suche nach Spurengasen mit biologischer Signifikanz wie Methan und seine Zersetzungsprodukte. Die Apparaturen des Orbiters sollen es ermöglichen, Ort und Natur von Quellen zu bestimmen, welche diese Gase produzieren. Weiterhin sollen Schlüsseltechnologien getestet werden.

Das im russischen Institut für Weltraumforschung der Akademie der Wissenschaften entwickelte Spektrometer ACS ist eines von vier wissenschaftlichen Instrumenten des TGO und besteht aus dem Fourier-Spektrometer (TIRVIM) für den thermischen Infrarot-Bereich und den Echelle-Spektrometern für den mittleren (MIR) und den nahen (NIR) Infrarotbereich sowie aus einer elektronischen Steuereinheit.

Mit dem Spektrometer MIR wurde eine in der Planetenfernerkundung bewährte Methode angewandt. Aus dem Modus „Sonnenfinsternis“, d.h. der Mars „bedeckt“ die Sonne, analysiert der Apparat das Sonnenlicht, welches am Planetenrand durch die Atmosphäre hindurch schimmert. Dabei absorbieren die verschiedenen atmosphärischen Bestandteile die Sonnenstrahlung und erscheinen im Spektralbild als sogenannte Absorptionsbande. Dort hinterlässt jeder Stoff seinen unverwechselbarer „Fingerabdruck“ im Spektrum. Außerdem kann eine Substanz derselben chemischen Formel mehrere Absorptionsbande haben. Das zeugt von Unterschieden im Molekülaufbau oder verschiedener Isotopenzusammensetzung. Im untersuchten Infrarotbereich von 3,3 µm erwarteten die Forscher Methan. Jedoch zeigten sich Spuren von Wasser- und Kohlendioxid-Molekülen. Letztere bilden den Hauptbestandteil der Marsatmosphäre.

Wie Alexander Trochimowski, Mitarbeiter der Abteilung Planetenphysik des russischen Instituts für Weltraumforschung berichtete, glaubte man zuerst an einen Fehler, welcher sich bei der Kalibrierung des Spektrometers eingeschlichen hatte. Aber auch nach sorgfältiger Überprüfung seien diese „Artefakte“ nicht verschwunden, im Gegenteil – es zeigten sich ungefähr 30 Absorptionsbande, deren Lage mit keinen der bisher erhaltenen übereinstimmte. Weiter stellte sich heraus, dass es sich um Erscheinungen in geringen Höhen von weniger als 20 km über der Marsoberfläche handelte. Bis zu diesen Ergebnissen des TGO galt die Absorptionsbande des CO₂ in diesem Spektralbereich als ausgeschlossen, da sie so bislang nirgendwo, weder auf der Erde noch im Kosmos, gemessen wurde.

Im Falle Ozon war die Situation ein wenig anders. Der Ozon-Anteil in der Marsatmosphäre ist zwar gering, wurde aber bereits von den Sonden Mariner 7 und 9 in den 1970er Jahren entdeckt und seit dieser Zeit im Wesentlichen im Ultraviolett-Bereich und in Höhen von mehr als 20 km über der Oberfläche beobachtet. Mit Hilfe des MIR-Spektrometers gelang es nun erstmals, Ozon im infraroten Bereich von 3 µm und in geringeren Höhen nachzuweisen. „Beide Absorptionsbande, sowohl des Kohlendioxids als auch des Ozons, befinden sich genau in dem Bereich, wo wir Methan erwartet hatten“, erläuterte Kevin Olsen, Mitarbeiter der Physikalischen Fakultät der Universität Oxford.

Was wie ein rein akademischer Diskurs anmutet, kann letztendlich zur Beantwortung einer grundsätzlicheren Frage beitragen: Kommt Methan in der Marsatmosphäre vor oder nicht? Denn die Tatsache, dass sich in diesem Spektralbereich Spuren von CO₂ befinden, stellt die bisherigen Methoden der Methansuche auf den Prüfstand. Außerdem fördern die neuen Forschungsergebnisse das Verständnis über die Wechselwirkung zwischen CO₂ und O₃ und mit dem Sonnenlicht und damit das bessere Verständnis chemischer Prozesse in der Marsatmosphäre und führen zu einer höheren Genauigkeit der Messungen.

Der Trace Gas Orbiter setzt seine Arbeit fort. Die nächste Etappe im ExoMars-Programm beginnt im Jahre 2022 mit dem Start der Landeplattform „Kasatschok“ und des Marsrovers „Rosalind Franklin“, welche dann auf der Oberfläche ihre Forschungen aufnehmen sollen. Der TGO soll dabei auch als Relaisstation für die Datenübertragung genutzt werden. Möglicherweise hilft der Blick von zwei Seiten – von „unten“ und von „oben“ – das Rätsel um das Methan und Lebensspuren auf dem roten Planeten zu lösen.

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• ExoMars Trace Gas Orbiter + Lander Schiaparelli auf Proton-M/Briz-M

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Quelle: ESA.

11. April 2019 – Die Satellitendaten zeigen zum einen, wie sich ein kürzlich aufgetretener, planetenweiter Staubsturm auf den Wassergehalt in der Mars-Atmosphäre auswirkte und zeigen zum anderen einen überraschenden Methanmangel auf.

Zwei Aufsätze, die gestern im Wissenschaftsmagazin Nature erschienen, beschreiben die neuen Ergebnisse, die zeitgleich auf einer Pressekonferenz bei der European Geosciences Union in Wien vorgestellt wurden.

Ein dritter Aufsatz, der bei der Zeitschrift Proceedings of the Russian Academy of Science eingereicht worden ist, präsentiert die bisher detailreichste Karte über das Vorkommen von Wassereis oder hydratisierten Mineralien im oberflächennahen Marsuntergrund.

Das ExoMars-Programm ist ein Gemeinschaftsprojekt von ESA und Roscosmos. Der ExoMars Trace Gas Orbiter, kurz TGO, erreichte den Mars im Oktober 2016 und führte über ein Jahr lang Atmosphärenbremsungs-Manöver aus, um seinen wissenschaftlichen Orbit zu erreichen. In einer Höhe von 400 Kilometern über der Marsoberfläche braucht er nun zwei Stunden, um den Planeten zu umkreisen.

„Wir freuen uns über die ersten Ergebnisse des Spurengasorbiters“, sagt Håkan Svedhem, TGO-Projektwissenschaftler der ESA.

„Unsere Instrumente funktionieren einwandfrei und haben schon während der ersten Einsatzmonate hervorragende Daten auf einem viel höheren Niveau als je zuvor geliefert.“

Die Hauptmission des Spurengasorbiters hat Ende April 2018 begonnen, nur wenige Monate bevor ein Staubsturm aufzog, der den gesamten Planeten einhüllen und letztlich zur Beendigung der Opportunity-Mission der NASA führen sollte – der Marsrover der NASA erforschte 15 Jahre lang die Oberfläche des Roten Planeten.

TGO konnte dagegen aus der sicheren Entfernung in seinem Orbit heraus einzigartige Beobachtungen tätigen. Er dokumentierte das Aufziehen und die Entwicklung des Sturms und beobachtete, wie die zunehmende Staubentwicklung den Wasserdampf in der Atmosphäre beeinflusste. Letzteres trägt wesentlich zum Verständnis bei, wie sich das Wasservorkommen auf dem Mars über die Zeit veränderte.

Forscher machen sich den Staubsturm zunutze
NOMAD und ACS, zwei Spektrometer an Bord des Spurengasorbiters, führten die ersten hochauflösenden Messungen mit der Methode der solaren Okkultation durch. Dabei untersuchen sie, wie das Sonnenlicht von der Atmosphäre absorbiert wird, um die chemischen Fingerabdrücke der Bestandteile zu offenbaren.

So wurde eine vertikale Verteilung von Wasserdampf und „mittelschwerem Wasser“ – bei dem ein Wasserstoffatom durch ein Deuterium-Atom, also einer Wasserstoffart mit einem zusätzlichen Neutron, ersetzt wird – nah an der Marsoberfläche und bis in eine Höhe von über 80 Kilometern entdeckt. Die neuen Ergebnisse legen dar, welchen Einfluss Staub in der Atmosphäre auf Wasser hat und wie Wasserstoffatome in den Weltraum entweichen.

„An den nördlichen Breitengraden haben wir Merkmale entdeckt, wie etwa Staubwolken in Höhen von 25 bis 40 Kilometern, die vorher noch nicht da waren. An den südlichen Breitengraden konnten Staubschichten nachgewiesen werden, die noch höher aufstiegen“, so Ann Carine Vandaele, leitende Forscherin für das NOMAD-Instrument am Belgischen Institut für Weltraum-Aeronomie.

„Der Wasserdampf hat sich außergewöhnlich schnell in der Atmosphäre ausgedehnt. Dies geschah innerhalb weniger Tage vor dem Aufzug des Sturms, was uns zeigt, wie rasch die Atmosphäre auf den Staubsturm reagierte.“

Diese Observationen stehen im Einklang mit globalen Zirkulationsmodellen. Staub absorbiert die Sonnenstrahlung, erwärmt das umliegende Gas und bringt es dazu, sich auszudehnen. Andere Atmosphärenbestandteile, zum Beispiel Wasser, müssen sich dann über breitere vertikale Bereiche umverteilen. Zudem vergrößert sich der Temperaturunterschied zwischen den Äquator- und Polregionen, wodurch die atmosphärische Zirkulation angeregt wird. Gleichzeitig bilden sich, wegen der höheren Temperaturen, weniger Wassereis-Wolken, die den Wasserdampf in niedrigeren Höhen binden würden.

Die Wissenschaftler beobachteten zudem erstmalig das gleichzeitige Auftreten von mittelschwerem Wasser und Wasserdampf. Damit konnten wichtige Informationen über die Prozesse, die die Menge der ins All entweichenden Wasserstoff- und Deuterium-Atome steuern, gewonnen werden. Ebenso kann aus diesen Daten das Deuterium-Wasserstoff-Verhältnis (D/H) abgeleitet werden, was eine wichtige Kennzahl für die Entwicklung des Wasserinventars auf dem Mars ist.

„Wir wissen nun, dass das Wasser in der Marsatmosphäre, ganz gleich ob deuteriert oder nicht, sehr sensibel auf das Vorhandensein von Eiswolken reagiert. Diese hindern es nämlich daran, in höhere Atmosphärenschichten aufzusteigen. Während des Sturms gelangte Wasser allerdings in sehr hohe Schichten“, sagt Vandaele. „Unsere Modelle haben das schon lange vorhergesagt, aber nun haben wir es zum allerersten Mal tatsächlich beobachtet.“

Da die Wissenschaftler davon ausgehen, dass sich das D/H-Verhältnis mit den Jahreszeiten und den Breitengeraden ändert, sammelt TGO kontinuierlich regionale und saisonale Messwerte, die das wissenschaftliche Verständnis der wirkenden Prozesse weiter voranbringen sollen.

Weitere Erkenntnisse über das rätselhafte Mars-Methan
Die beiden komplementären Instrumente haben damit begonnen, die Spurengase in der Marsatmosphäre zu messen. Spurengase machen weniger als 1 Prozent des Atmosphärenvolumens aus. Ihre genaue chemische Zusammensetzung kann nur mit hochpräzisen Messtechniken bestimmt werden. Das Spurengasvorkommen wird üblicherweise in „parts per billion by volume“, also Volumenmischungsverhältnisse (ppbv) gemessen. Das Methaninventar der Erde beträgt beispielsweise 1.800 bbpv, was bedeutet, dass auf 1 Milliarde Moleküle 1.800 Methanmoleküle kommen.

Methan ist für die Marswissenschaftler von besonderem Interesse, weil es ein Anzeichen für Leben sowie für geologische Prozesse sein kann. Auf der Erde stammen 95 Prozent des Methans in der Atmosphäre aus biologischen Prozessen. Die Sonnenstrahlung braucht mehrere Hundert Jahre, um Methan zu zersetzen. Das bedeutet, dass jedes Molekül, das heute gefunden wird, relativ zeitnah entstanden sein muss – auch wenn das Methan selbst vor Millionen oder Milliarden von Jahren produziert worden ist und seitdem in unterirdischen Lagerstätten schlummert. Spurengase werden darüber hinaus in Schichten nahe der Planetenoberfläche Tag für Tag durchgewirbelt. Wendet man globale Windzirkulationsmodelle für die Berechnung an, wird das Methan so innerhalb weniger Monate gleichmäßig um den Planeten herum verteilt.

Berichte über Methan in der Marsatmosphäre wurden und werden intensiv diskutiert, da die entsprechenden Nachweise nur sehr sporadisch erbracht werden konnten (in Bezug auf die Zeit als auch auf den Fundort) und oftmals in den Nachweisgrenzbereich der jeweiligen Instrumente fielen. Im Jahr 2004 lieferte die ESA-Marssonde Mars Express eine der allerersten Messungen aus einem Orbit heraus. Diese ließen auf einen Methangehalt von 10 bbpv schließen.

Bodenbasierte Teleskope zeigten sowohl gar kein Methan als auch nur ein flüchtiges Vorkommen von bis zu 45 ppbv auf. Messungen des NASA-Marsrovers Curiosity, der den Gale-Krater seit 2012 erforschte, ließen auf ein jahreszeitlich schwankendes Methanlevel von 0,2 bis 0,7 ppbv schließen, zeigten aber auch einige Spitzen mit höheren Methangehalten auf. Auch Mars Express hat kürzlich eine Methanspitze aufgezeichnet, und zwar einen Tag nachdem Curiosity eins der höchsten Level überhaupt gemessen hatte.

Die neuen Ergebnisse des Spurengasorbiters bieten die bisher detaillierteste Analyse. Es wurde eine Obergrenze von 0,05 ppbv gemessen – also 10 bis 100 Mal weniger Methan als die bisherigen Observationen ergaben. Die präziseste Nachweisgrenze von 0,012 ppbv wurde in einer Höhe von 3 Kilometern gemessen.

Als Obergrenze entspricht der Wert von 0,05 ppbv einer Emission von bis zu 500 Tonnen Methan über eine vorhergesagte Lebensdauer des Moleküls von 300 Jahren, wenn man nur die atmosphärischen Zersetzungsprozesse betrachtet. Allerdings ist diese Menge über die gesamte Atmosphäre hinweg verteilt, was den Wert extrem niedrig erscheinen lässt.

„Wir haben wunderbare und genaue Daten, die uns anzeigen, dass dort, wo wir eigentlich Methan erwarten würden, Wasser ist. Trotzdem kommen wir nur auf eine bescheidene Höchstgrenze, die auf eine umfassende Abwesenheit von Methan schließen lässt“, sagt Oleg Korablev, leitender Forscher ACS vom Institut für Weltraumforschung an der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau.

„Die hochpräzisen Messungen des TGO scheinen in Widerspruch zu den vorherigen Observationen zu stehen. Um die verschiedenen Datensätze miteinander in Einklang zu bringen und um festzustellen, wie es überhaupt zu dem schnellen Übergang von früher berichteten Schwaden zu den offensichtlich sehr niedrigen Hintergrundwerten kommen kann, müssen wir herausfinden, welcher Prozess Methan in oberflächennahen Bereichen zersetzt.“

„Die Frage, ob auf dem Mars überhaupt Methan vorhanden ist und wo dieser herkommen könnte, löste eine heftige Debatte aus. Nun stehen wir vor ebenso interessanten Fragen: Wohin und wie verschwindet dieses Methan? Und wie schnell kann es verschwinden?“, so Svedhem.

„Noch haben wir nicht alle Teile zusammengebracht. Dabei wird uns TGO helfen – denn er misst die Marsatmosphäre in einer nie zuvor erreichten Genauigkeit und mit den besten Instrumenten, die wir derzeit haben. So werden wir besser verstehen können, wie aktiv dieser Planet ist – sowohl geologisch als auch biologisch.“

Messergebnisse liefern die bisher ausführlichste Karte von Wasservorkommen
Während die Experten weiterhin darüber streiten, ob und warum es Methan gibt, steht eins fest: Es gab und gibt Wasser auf dem Mars. Heute kommt es in der Form von Wassereis oder durch Wasser hydratisierten Mineralien vor. Und wo Wasser war, da kann es auch Leben gegeben haben.

Um herauszufinden, wo genau und wann es wie viel Wasser gab, kartografiert FREND, der Neutronendetektor an Bord des TGO, die Wasserstoffverteilung unter der unmittelbaren Planetenoberfläche (bis zu einer Tiefe von 1 Meter). Wasserstoff ist ein Anzeichen für das Vorhandensein von Wasser, da es ein Bestandteil des Wassermoleküls ist. Darüber hinaus kann es darauf hinweisen, dass Wasser von der Planetenoberfläche absorbiert wurde, oder dass es Mineralien gibt, die unter Anwesenheit von Wasser entstanden sind.

Das Kartografieren wird etwa ein Marsjahr, also fast zwei Erdjahre, dauern. Am Ende werden die besten bis dato verfügbaren Kenngrößen zur Verfügung stehen, mit denen die bisher qualitativ ausführlichste Karte erstellt werden kann. Allerdings übertreffen bereits die ersten Karten, die auf Basis innerhalb von wenigen Monaten erstellt wurden, bereits die Auflösung früherer Messungen.

„In nur 131 Tagen hat das Instrument eine Karte erstellt, die eine höhere Auflösung aufweist als diejenige, die mit den Daten des Vorgängers an Bord der NASA-Raumsonde Mars Odyssey in 16 Jahren zusammengetragen wurde. Und wir erwarten sogar noch eine weitere Verbesserung der Auflösung“, sagt Igor Mitrofanov, leitender Forscher vom Institut für Weltraumforschung FREND an der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau.

Die neue Karte bildet nicht nur den offensichtlich wasserreichen Permafrost in den Polregionen ab, sondern zeigt die bereits lokalisierten „trockenen“ und „feuchten“ Gebiete des Planeten in präziseren Details. Darüber hinaus hebt sie wasserreiche Materialien in den Äquatorregionen hervor, die darauf schließen lassen, dass es hier einmal wasserreichen Permafrost gegeben haben könnte – oder aber, dass hier früher die Pole des Mars lagen.

„Die Daten verbessern sich kontinuierlich – am Ende werden sie die Referenzdaten für das Kartografieren von wasserreichen Materialien im oberflächennahen Marsuntergrund darstellen. Dies wird entscheidend zu unserem Verständnis darüber beitragen, wie sich der Planet als Ganzes entwickelt hat und wo genau sich derzeit vorhandenes Wasser befindet“, so Mitrofanov weiter. „Die Messungen sind dabei nicht nur von wissenschaftlichem Wert, sondern liefern auch wertvolle Informationen für die Planung zukünftiger Marsmissionen.“

„Nachdem wir bereits in den Genuss wunderschöner Bilder und Stereoansichten des Mars gekommen sind – aufgenommen vom Kamerasystem an Bord des TGO – freuen wir uns nun, erste Einblicke in die von den anderen Instrumenten gesammelten Daten geben zu können“, so Svedhem abschließend. „Wir blicken optimistisch in die Zukunft, in der wir noch einiges zu der wissenschaftlichen Erforschung der faszinierenden Eigenschaften des Mars beitragen werden. Dazu gehört die Verteilung von Wasser unter der Planetenoberfläche, Prozesse, die auf der Oberfläche laufen sowie die rätselhafte Zusammensetzung der Marsatmosphäre.“

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• ExoMars Trace Gas Orbiter + Lander Schiaparelli auf Proton-M/Briz-M

Originalpublikationen:

• „Early observations by ExoMars TracEarly observations by ExoMars Trace Gas Orbiter show no signs of methane on Mars” von O. Korablev et al.
• „Martian dust storm impact on atmospheric water and D/H observed by ExoMars Trace Gas Orbiter” von A.C Vandaele et al.
• „Neutron Mapping of Mars with High Spatial Resolution: First Results of FREND experiment of the ExoMars Project” von I.G. Mitrofanov et al.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

Zu den neuen Geräten gehört eine Weitwinkelkamera, wobei „Weitwinkel“ relativ zu sehen ist. Das Sichtfeld der Wide Field Camera 3 umfasst im Infrarotbereich 123 x 137 Bogensekunden (ca. ein Dreißigstel Grad) und im Bereich des sichtbaren Lichts bzw. ultravioletter Strahlung 160 x 160 Bogensekunden (etwa ein Zweiundzwanzigstel Grad). Die neue Wide Field Camera 3 ersetzt die 1993 in Hubble eingebaute Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC 2). Untersuchungsobjekte sind wie bei der Vorgängerin vergleichsweise großflächige Objekte wie Galaxien, Sterne in unserer Galaxis und Objekte in unserem Sonnensystem. Die Kamera verfügt dazu über zwei erweiterte Beobachtungskanäle. Für nahes UV-Licht und den kompletten sichtbaren Bereich existiert der UVis-Kanal mit einem CCD-Sensor mit 16 Megapixeln. Dieser kann das Licht der Wellenlängen 200 bis 1.000 Nanometer etwa 35-mal empfindlicher detektieren als die Advanced Camera for Surveys (ACS), die sich ebenfalls an Bord von Hubble befindet und während der Shuttle-Mission STS 125 instand gesetzt wurde.

Der Kanal für nahes Infrarot (NIR) verfügt über einen hochempfindlichen Halbleitersensor aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid, der gekühlt wird und damit Wellenlängen von 850 bis 1.700 nm und darüber hinaus detektieren kann. Er verfügt über 1 Megapixel und ist etwa 15-mal empfindlicher als bisherige NICMOS-Sensoren im Hubble Space Telescope (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer).

Ebenfalls neu ist der Cosmic Origins Spektrograph COS. Er wurde anstelle der 1993 installierten und mittlerweile überflüssig gewordenen Korrekturoptik eingebaut. Alle neuen Geräte korrigieren den Spiegelfehler selbstständig.

Spektrographen zerlegen das einfallende Licht in einzelne Wellenlängen, beim sichtbaren Licht spricht man auch von Farben. Da chemische Elemente bestimmte charakteristische Farblinien aussenden bzw. absorbieren, kann man auch aus Millionen Lichtjahren Entfernung messen, welche Zusammensetzung ein selbstleuchtender Körper oder eine durchleuchtete Gaswolke hat. Außerdem kann man auch Angaben über Temperatur und Geschwindigkeit des beobachteten Objekts gewinnen.

COS dient vor allem der Grundlagenforschung. Man will damit Erkenntnisse über die Struktur des Universums im großen Maßstab gewinnen. Dazu verfügt der Spektrograph über zwei Kanäle im Bereich der Ultravioletten Strahlung. Kanal 1 (Far Ultraviolet = FUV) arbeitet im Bereich von 115 bis 177 Nanometern. Dafür steht ein 32 Megapixel-Detektor bereit. Im Unterschied zu unseren Digitalkameras gewinnt dieser aber keine Bilder sondern Daten über die Stärke der Strahlung verschiedener Wellenlängen des angegebenen Bereiches. Dazu löst das einfallende UV-Licht Elektronen aus einem Material heraus, die in einer Mikrokanalplatte (Micro Channel Plate) vervielfacht werden und einen messbaren Impuls ergeben. COS ist dabei 30-mal empfindlicher als der Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS), der seit 1997 im Hubble Space Telescope installiert ist.

Kanal 2 arbeitet im nahen Ultraviolettbereich (Near Ultraviolet = NUV) von 175 bis 300 Nanometern Wellenlänge. Sein Sensor ist ein Multi-Anode Microchannel Array (MAMA) mit 1 Million Sensorzellen und doppelt so gut wie ein entsprechender STIS-Sensor. COS besitzt gegenüber STIS nicht nur eine größere Empfindlichkeit sondern erweitert mit dem FUV-Kanal auch den Wellenlängenbereich. Das sichtbare Licht hat übrigens Wellenlängen von etwa 350 nm (violett) bis 700 nm (rot).

Mit den neuen Geräten wurde sowohl das Auflösungsvermögen bedeutend verbessert als auch der Wellenlängenbereich, in dem Untersuchungen angestellt werden können, sowohl in den lang- als auch in den kurzwelligeren Bereich erweitert. Dass die Bilder und Messwerte genauer werden, kann man auf den ersten Veröffentlichungen deutlich sehen.

„Das ist der Anfang eines neuen Hubble-Teleskops“, sagte Ed Weiler, NASA-Verantwortlicher für die Mission des Weltraumteleskops: „Das Teleskop hat eine umfassende Generalüberholung bekommen und ist nun deutlich leistungsstärker als vorher – damit ist es bestens gerüstet, weit bis ins nächste Jahrzehnt hinein Beobachtungen anstellen zu können.“

Siehe auch:

• NASA-Galerie der neuen Hubble-Bilder (engl.)

Ausführlicher Artikel zur Generalüberholung:

• STS-125-Missionsberichte (12.-24. Mai)

Raumcon:

• Hubble-Thread

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA (STS-125-Presskit).

Der neue Spektrograph wurde anstelle der 1993 installierten Korrekturoptik eingebaut. Diese spezielle Spiegelanordnung war notwendig geworden, nachdem man festgestellt hatte, dass der 2,40 m große Hauptspiegel aufgrund eines minimalen Fehlers falsch geschliffen worden war. Die neuen Geräte korrigieren diesen bekannten Fehler aber selbstständig und so ist COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) überflüssig geworden. An seiner Stelle wurde der nagelneue Cosmic Origins Spectrograph (COS) eingebaut.

Spektrographen zerlegen das einfallende Licht in einzelne Wellenlängen, beim sichtbaren Licht spricht man auch von Farben. Da chemische Elemente bestimmte charakteristische Farblinien aussenden, kann man auch aus Millionen Lichtjahren Entfernung messen, welche Zusammensetzung ein selbstleuchtender Körper oder eine durchleuchtete Gaswolke hat. Außerdem kann man auch Angaben über Temperatur und Geschwindigkeit des beobachteten Objekts gewinnen.

COS soll vor allem der Grundlagenforschung dienen. Man will damit Erkenntnisse über die Struktur des Universums im großen Maßstab gewinnen. Dazu verfügt der Spektrograph über zwei Kanäle im Bereich der Ultravioletten Strahlung. Kanal 1 (Far Ultraviolet = FUV) arbeitet im Bereich von 115 bis 177 Nanometern. Dafür steht ein 32 Megapixel-Detektor bereit. Im Unterschied zu unseren Digitalkameras gewinnt dieser aber keine Bilder sondern Daten über die Stärke der Strahlung verschiedener Wellenlängen des angegebenen Bereiches. Dazu löst das einfallende UV-Licht Elektronen aus einem Material heraus, die in einer Mikrokanalplatte (Micro Channel Plate) vervielfacht werden und einen messbaren Impuls ergeben. COS ist dabei 30-mal empfindlicher als der Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS), der seit 1997 im Hubble Space Telescope installiert, aber seit fast 5 Jahren defekt ist.

Kanal 2 arbeitet im nahen Ultraviolettbereich (Near Ultraviolet = NUV) von 175 bis 300 Nanometern Wellenlänge. Sein Sensor ist ein Multi-Anode Microchannel Array (MAMA) mit 1 Million Sensorzellen und doppelt so gut wie ein entsprechender STIS-Sensor. COS besitzt gegenüber STIS nicht nur eine größere Empfindlichkeit sondern erweitert mit dem FUV-Kanal auch den Wellenlängenbereich. Das sichtbare Licht hat übrigens Wellenlängen von etwa 350 nm (violett) bis 700 nm (rot).

Die zweite Aufgabe von John Grunsfeld und Andrew Feustel war die Reparatur der Elektronik der Advanced Camera for Surveys (ACS), die seit 2002 in Hubble installiert, aber nach zwei Defekten seit Januar 2007 fast vollständig ausgefallen ist. Die ACS arbeitet mit 3 Kanälen vom nahen ultravioletten über das sichtbare bis zum infraroten Licht. Der Solar Blind Channel, der empfindlich für ultraviolette Strahlung ist, funktioniert noch. Der bis zum Ausfall am häufigsten genutzte Wide Field Channel wurde durch den Austausch von 4 Platinen und die Außenmontage einer Stromversorgungseinheit repariert. Da weder Stomversorgung noch Elektronik für eine Reparatur im All vorgesehen waren, hatte man auf der Erde einen ausgeklügelten Plan entworfen und beim heutigen Ausstieg in die Tat umgesetzt. Ein Teil der Gerätewand wurde aufgeschnitten, diverse Schrauben wurden gelöst, mit Spezialwerkzeugen die Platinen entnommen und durch eine einfach zu montierende, weiterentwickelte Ersatzelektronik ausgetauscht. Diese enthält programmierbare Prozessoren (ASICs), die man je nach Bedarf für verschiedene Aufgaben einsetzen kann.

Durch Wiederherstellung der Stromversorgung und Steuerung des Wide Field Channels besteht auch die Möglichkeit, dass der offenbar nur durch Überlastung blockierte High Resolution Channel wiederhergestellt wird. Dann wäre die Kamera wieder voll einsatzbereit. Der Wide Field Channel arbeitet mit einem 16 Megapixel-CCD-Sensor im Wellenlängenbereich von 300 bis 1.100 Nanometern (Nahes UV – Sichtbares Licht – nahes IR) mit einem Sichtbereich von 202 x 202 Bogensekunden, der High Resolution Channel mit einem 1 Megapixelsensor im Bereich von 170 bis 1.100 Nanometern auf 26 x 29 Bogesekunden (etwa 1 Hundertdreißigstel Grad) und der Solar Blind Channel mit einem 1-Megapixel-Sekundärelektronenvervielfacherfeld (MAMA) auf 31 x 35 Bogensekunden. Für alle Kanäle stehen mehrere Filter zur Verfügung, um wie bei Falschfarbenbildern bestimmte Eigenschaften besonders hervorzuheben und andere zeitweilig zu unterdrücken.

Zum Schluss des sechseinhalbstündigen Ausstieges wurde noch eine neue Thermoisolierung angebracht (New Outer Blanket Layer = NOBL). Dazu und zu weiteren Einzelheiten des dritten Außenbordeinsatzes der Mission STS 125 lesen Sie unsere täglichen Statusberichte.

Die grundsätzliche Funktion beider Geräte, sowohl COS als auch ACS, konnte bereits nach ersten „Aliveness Tests“ bestätigt werden. Zur Zeit wird COS einer eingehenderen Funktionsüberprüfung unterzogen, später dann auch die ACS.

Raumcon:

• STS-125-Thread ab EVA 3

Der Beitrag Hubbles Modernisierung und Reparatur schreitet voran erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA (STS-125-Presskit).

Dabei handelt es sich zum ersten um eine neue Weitwinkelkamera, wobei „Weitwinkel“ relativ zu sehen ist. Das Sichtfeld der Wide Field Camera 3 umfasst im Infrarotbereich 123 x 137 Bogensekunden (ca. ein Dreißigstel Grad) und im Bereich des sichtbaren Lichts bzw. ultravioletter Strahlung 160 x 160 Bogensekunden (etwa ein Zweiundzwanzigstel Grad).

Die neue Wide Field Camera 3 ersetzt die 1993 in Hubble eingebaute Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC 2). Untersuchungsobjekte sind wie bei der Vorgängerin vergleichsweise großflächige Objekte wie Galaxien, Sterne in unserer Galaxis und Objekte in unserem Sonnensystem. Die Kamera verfügt dazu über zwei Beobachtungskanäle. Für nahes UV-Licht und den kompletten sichtbaren Bereich existiert der UVis-Kanal. Hier fällt das vom 2,4-Meter-Spiegel gesammelte Licht auf einen CCD-Sensor mit 16 Megapixeln. Dieser kann das Licht der Wellenlängen 200 bis 1.000 Nanometer etwa 35-mal empfindlicher detektieren als die Advanced Camera for Surveys (ACS), die sich ebenfalls an Bord von Hubble befindet und in den nächsten Tagen repariert werden soll.

Der Kanal für nahes Infrarot (NIR) verfügt über einen hochempfindlichen Halbleitersensor aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid, der gekühlt wird und damit Wellenlängen von 850 bis 1.700 nm und darüber hinaus detektieren kann. Er verfügt über 1 Megapixel und ist etwa 15-mal empfindlicher als bisherige NICMOS-Sensoren im Hubble Space Telescope (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer).

Da man im Infrarotbereich auch durch Staubwolken blicken kann, erwartet man neue Erkenntnisse zur Entstehung und Entwicklung von Galaxien, Sternpopulationen sowie über Dunkle Energie und Dunkle Materie.

Ebenfalls ausgetauscht wurde das sogenannte Science Instrument Command & Data Handling Module (SI C&DH). Dieses besteht aus 14 Einzelkoponenten, die zu 6 Einheiten zusammengefasst sind. Deren Zentrale ist ein NASA Standard Spacecraft Computer 1, eine Entwicklung aus den 1980-er Jahren. Dieser steuert die wissenschaftlichen Instrumente und das NICMOS-Kühlsystem. Dazu werden ein Central Processing Module, 4 Speichermodule und eine Standard Interface Unit (STINT) genutzt. Herz der SI C&DH ist die Control Unit/Science Data Formatter. Die Control Unit leitet Befehle von der Erde zum NSSC-1 und der Science Data Formatter bereitet wissenschaftliche Daten für den Versand zur Erde vor. Ein Strang dieses Systems war im September letzten Jahres ausgefallen, weswegen die eigentlich für Oktober 2008 angesetzte Hubble Service Mission 4 verschoben wurde.

Schließlich wurde der Soft Capture Mechanism (SCM) an Hubbles Unterseite montiert. Dieser Kopplungsmechanismus mit einem Durchmesser von ca. 1,80 Metern ist kompatibel mit dem Rendezvous- und Dockingsystem, das gegenwärtig für Raumfahrzeuge der nächsten Generation in den USA entwickelt wird. Im nächsten Jahrzehnt soll am SCM ein Antriebssystem angedockt werden, welches das Hubble Space Telescope nach Erfüllung seiner Aufgabe gezielt zum Absturz bringt.

Weiteres lesen Sie bitte in unseren täglichen Missionsreports.

Raumcon:

• STS-125-Thread ab Mittag

Der Beitrag Hubble wird aufgerüstet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: Space.com.

Wie bekannt wurde, konnte man anhand von internen Sensoren feststellen, dass es sogar etwas Rauch an Bord des Teleskops gegeben haben muss, als ein Element der Stromversorgung durchschmorte. Das optische System des Teleskops ist von dem Rauch aber wahrscheinlich nicht kontaminiert worden.
Schon vor einem halben Jahr ist die primäre Stromversorgung der 2002 in das Teleskop eingebauten Advanced Camera for Surveys (ACS) ausgefallen (RN berichtete), die Ingenieure konnten aber auf das Reservesystem umschalten. Nun ist eben dieses Reservesystem auch ausgefallen, wobei dessen Defekt anderer Natur gewesen sein soll als der Defekt des Primärsystems.
Das Team wird versuchen, das Primärsystem wieder so weit in Gang zu nehmen, dass zumindest ein eingeschränkter Betrieb der ACS wieder möglich wird. In diesem „Solar Blind“ genannten Betrieb sind aber keine Fotos von der Art mehr möglich, wie sie seit über 15 Jahren Experten und Laien gleichermaßen begeistern. Ein schon im November aufgestellter „Plan B“ wird jetzt zum Zuge kommen, der die durch den Ausfall frei gewordene Beobachtungszeit auf die verbliebenen drei Instrumente verteilt, darunter die Wide Field Planetary Camera 2.

Der Ausfall wirft einige Fragen für die Hubble-Servicemission auf, die nächstes Jahr stattfinden soll. Zum Einen sind die Entwickler der neuen Hubble-Kamera Wide Field Camera 3 (WFC3) nun verständlicherweise besorgt, dass ein ähnlicher Ausfall auch ihr Instrument vor der Zeit außer Betrieb setzen könnte. Zum Anderen stellt sich die Frage, ob die ACS bei dieser Shuttle-Servicemission noch einmal repariert werden kann oder gar sollte. Der Zeitplan der Mission ist jetzt schon äußerst eng. Um auch die ACS noch zu reparieren, müsste schon eine andere Aktion weichen. Außerdem war die WFC3 ohnehin als Reservesystem für die ACS gedacht und kann ihre Aufgaben weitgehend übernehmen, auch wenn sie länger braucht, um ein Bild aufzunehmen.

Der Beitrag Hubble-Hauptkamera endgültig blind? erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: Space.com.

Die Ausfall erfolgte am Samstag. Die Ursache ist noch unklar. Der zweimalige Ausfall der wichtigsten Kamera des alternden Weltraumteleskops innerhalb kurzer Zeit lässt die angedachte Wartungsmission per Shuttle nun um so dringlicher erscheinen. Die durch den ACS-Ausfall frei gewordene Beobachtungszeit wurde auf andere Instrumente an Bord von Hubble aufgeteilt.

Der Beitrag Hubble-Kamera erneut ausgefallen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: ESA.

„Dies ist die bestmögliche Nachricht“, freute sich Ed Ruitberg vom Goddard-Center der NASA. „Wir waren zuversichtlich, dass wir den Fehler beheben würden, und nun können wir wieder zum Normalbetrieb zurückkehren.“

Am 19. Juni hatte sich die Kamera selbst ausgeschaltet, nachdem Messwerte für die +5V und +15V Stromversorgungsspannungen für das CCD-Modul der Kamera über den zulässigen Grenzwerten gelegen hatten (RN berichtete). Das Betreiberteam hatte sich schon da optimistisch gezeigt, statt eines offenbar defekten Stromversorgungsbausteins auf ein Reservesystem umschalten zu können. Dies scheint geglückt zu sein: Am 29. Juni schickten die Ingenieure erste Befehle an das Instrument im Bemühen, es wieder in Betrieb zu bringen. Die Kamera reagierte, und am Nachmittag des folgenden Tages hatte man Gewissheit, dass die Kamera wieder funktioniert.

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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: Space.com.

Die bekannte Advanced Camera for Surveys (ACS) hat sich vergangene Woche Montag abgeschaltet und verharrt nun in einem Sicherheitsmodus. Ed Ruitberg, stellvertretender Hubble-Programmmanager am Goddard-Center der NASA teilte mit, dass Ingenieure bereits einige potenzielle Ursachen ausschließen konnten und dass der Fehler wahrscheinlich mit einem Niederspannungsinterface zu tun hat, das zwischen die Akkumulatoren des Teleskops und die Kamera geschaltet ist. Wenn sich dies bestätigt, dann kann die Funktion des offenbar ausgefallenen Teils durch ein Reservesystem ersetzt werden. „Wir sind sehr optimistisch“, dass die Kamera wieder in Betrieb gehen kann, so Ruitberg.
„Wir sind noch dabei, das Problem zu untersuchen und hoffen das Beste, rechnen aber mit allen Eventualitäten“, sagte hingegen Max Mutchler vom Space Telescope Science Institute in Baltimore, von wo Hubble gesteuert und betrieben wird. Die anderen Instrumente des Observatoriums sind von dem Ausfall nicht betroffen.

Die ACS, die erst 2002 beim letzten Serviceeinsatz per Shuttle installiert wurde und seitdem etliche faszinierende, vielfach über die Medien verbreitete Ansichten des Universums im sichtbaren Licht geliefert hat, ist schon „mehr als einmal“ in den Sicherheitsmodus gegangen, sagte Mutchler – aber diesmal sei das Problem schwerwiegender. „Wir haben sie jedesmal wieder in Betrieb bekommen. Aber diesmal dauert es doch deutlich länger und es ist mehr betroffen als bei den früheren Ausfällen, bei denen es sich immer nur um Softwareprobleme handelte.“

Es gibt bereits verschiedene Lösungsansätze, aber welcher davon tatsächlich in die Tat umgesetzt wird, kann erst entschieden werden, wenn das Kernproblem bekannt ist. „Im Moment wissen wir noch nicht, was das Kernproblem ist“, gab Mutchler zu.

Ruitberg sagte, wenn die Untersuchung das ergibt, was er erwartet, dann könne das System am kommenden Freitag umkonfiguriert werden und die Kamera würde wieder in Betrieb gehen. Selbst wenn das Kernproblem ein anderes sei, gäbe es wahrscheinlich auch dafür Reparaturmöglichkeiten. Schlussendlich zeigte sich Ruitberg sehr sicher, dass die Kamera wieder arbeiten wird.

Hubble ist seit 1990 im Weltall und war seitdem praktisch ununterbrochen in Betrieb. Ein letzter Serviceeinsatz des alternden Teleskops, bei dem von einem andockenden Space Shuttle mindestens Batterien und Gyroskope ersetzt werden müssen und bei dem vielleicht noch einmal eine neue Kamera installiert werden soll, muss spätestens 2008 erfolgen, wenn das Teleskop noch länger in Betrieb bleiben soll.

Das Problem dabei ist, dass das Shuttle-Programm derzeit selbst erheblich schwächelt: Erstmals in der Geschichte der US-Raumfähren soll am 1. Juli ein Space Shuttle unter Bedingungen starten, die nun auch offiziell als „nicht akzeptables Risiko“ eingestuft wurden (RN berichtete). Zwar soll das Risiko „nur“ dem Shuttle selbst gelten und nicht der Crew, aber auch so machen die derzeitigen Bemühungen um den Shuttle-Start einen überhasteten, angespannten Eindruck, wirkt die NASA-Führung wie zerrieben im Spannungsfeld zwischen kurzfristig nicht in den Griff zu bekommenden technischen Problemen und der wie ein Damoklesschwert über dem Programm hängenden Ankündigung der Bush-Regierung, die teuren Shuttle-Starts nicht über 2010 hinaus finanzieren zu wollen.

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Ein Beitrag von andreaskopp. Quelle: ESA.

Integral, das Gammastrahlenobservatorium der Europäischen Weltraumorganisation ESA, funktioniert perfekt. Es registriert nahezu täglich einen Gammastrahlenausbruch in den Tiefen des Universums. Seit seinem Start am 17. Oktober 2002 vom Kosmodrom Baikonur hat es sich bei der Jagd nach diesen mysteriösen Himmelserscheinungen eine Schlüsselstellung erkämpft.

Im Focus von Integral befinden sich gammastrahlenaussende Objekte des Hochenergie-Universums, zu denen Schwarze Löcher sowie Neutronensterne gehören. Derart ungewöhnliche Objekte sind für die Wissenschaft von besonderem Interesse, läst sich doch an ihnen das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen hervorragend untersuchen. In den vergangenen vier Monaten gelang Integral sogar die Aufzeichnung von vier Gammablitzen, die im direkten Sichtfeld seiner Hightech-Instrumente aufgeflackert sind. Ultrapräzise Beobachtungen dieser Art vermitteln wertvolle Einblicke in die Natur der noch immer weitgehend rätselhaften Strahlenausbrüche. Die hochenergetischen Blitze leuchten unvermittelt und oft nur für wenige Sekunden auf. Sie überstrahlen dabei alle anderen Energiequellen im Universum.
„Wir haben Integral gebaut, um Supernovae, Schwarze Löcher und Neutronensterne zu beobachten. Aber schon jetzt ist klar, dass der äußerst vielseitige Satellit auch einen großen Beitrag zur weiteren Erforschung der Gammastrahlenausbrüche leisten kann“, so Chris Winkler, der für das Integral Projekt zuständige ESA-Wissenschaftler.
Gammablitze sind nach dem Urknall die heftigsten kosmischen Explosionen, die das Weltall erschüttern. Die Ursache dieser gewaltigen Energieausbrüche am Rande des Universums, die intensiver strahlen als Milliarden Sonnen, ist nach wie vor unbekannt. Wissenschaftler sehen in Gammablitzen den Geburtsschrei eines neuen Schwarzen Loches, das entweder durch den Kollaps eines ausgebrannten Riesensterns, durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne oder die Verschmelzung kleinerer Schwarzer Löcher entsteht. Die Kurzlebigkeit der Ausbrüche stellt die Wissenschaftler vor immense Herausforderungen: Wenn sie einen Gammablitz eingehend untersuchen wollen, müssen sie extrem schnell reagieren.
Dank des so genannten Antikoinzidenzsystems (ACS) ist Integral aber auch in der Lage, Gammastrahlenausbrüche in Himmelsregionen zu registrieren, die seine Instrumente nicht direkt beobachten können. Das ACS-System wurde unter Federführung des Max-Planck-Institutes für extraterrestrische Physik in Garching (MPE) und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt. Es dient vor allem dazu, den Gamma-Detektor des SPI-Spektrometers gegen seitlich einfallende Störstrahlung des so genannten kosmischen Hintergrundrauschens abzuschirmen.
Die durch das ACS-System gewonnenen Informationen werden mit den Messungen einfacherer Detektoren verglichen, die an Bord diverser anderer Satelliten und Sonden in unserem Sonnensystem unterwegs sind. Durch Triangulation, d.h. durch die Einpeilung des Gammablitzes von mindestens zwei verschiedenen Orten aus, kann dann das Ursprungsgebiet des Strahlungsausbruchs sehr genau bestimmt werden. Binnen weniger Tage können die Wissenschaftler so den Gammablitz lokalisieren und sein oft wochenlanges Nachleuchten beispielsweise mit terrestrischen Teleskopen beobachten.

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