Quelle: Julia Weiler Ruhr-Universität Bochum (RUB), mit besonderer Genehmigung, 30. Mai 2023.

„Es ist die größte Mission, an der ich je beteiligt war“, stellt Prof. Dr. Hendrik Hildebrandt fest, als er über den Start des Weltraumteleskops Euclid spricht. Rund 1.500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Europa, Nordamerika und Japan sind Teil des Forschungskonsortiums, das die Mission vorbereitet hat. Mit Spannung fiebert Hildebrandt nun dem Start entgegen. Im Juli 2023 wird es so weit sein.

Euclid will nichts weniger, als eine der größten physikalischen Fragen unserer Zeit beantworten. Nämlich warum sich die Expansion des Universums beschleunigt. „Das Phänomen ist seit über 20 Jahren bekannt“, sagt Hildebrandt, Leiter des Lehrstuhls Beobachtende Kosmologie an der Ruhr-Universität Bochum. „Aber warum tut unser Universum das? Steckt zum Beispiel ein bestimmtes Teilchen dahinter? Es gibt viele Theorien, die alle unter dem Sammelbegriff der Dunklen Energie zusammengefasst werden.“ Die Natur dieser mysteriösen kosmologischen Größe will das Euclid-Team ergründen.

Euclid erfasst die Geschichte der Weltallexpansion
Voraussichtlich sechs Jahre wird das Teleskop Daten sammeln. Eine Rakete des Unternehmens SpaceX befördert es an einen Ort, der rund viermal weiter entfernt als der Mond auf der sonnenabgewandten Seite der Erde liegt. Von hier aus wird Euclid ein Drittel des Himmels beobachten. Anders als das Hubble-Weltraumteleskop, das nur einen winzigen Ausschnitt des Himmels sieht, hat Euclid quasi ein Weitwinkelobjektiv. Bilder von rund zehn Milliarden Galaxien soll es aufnehmen. Dabei schaut es in bis zu zehn Milliarden Lichtjahre Entfernung und somit auch in die Vergangenheit des Universums. Da das Licht eine gewisse Zeit braucht, um die Erde zu erreichen, sehen die Kosmologinnen und Kosmologen, je weiter sie schauen, immer frühere Zustände des Universums.

Anhand der Euclid-Daten kann das Team herausfinden, wie die Materie im Weltall im Lauf der Zeit verteilt war und wie sich Strukturen daraus gebildet haben. „Nach dem Urknall war die Materie relativ gleichmäßig verteilt“, sagt Hendrik Hildebrandt. „Durch Dichtefluktuationen gab es aber Bereiche, die ein wenig dichter waren als andere – und die Gravitation hat dafür gesorgt, dass sie im Lauf der Zeit immer dichter wurden.“ So entstanden Strukturen wie die Galaxien oder Galaxienhaufen.

Um die Materieverteilung zu bestimmen, nutzen die Forschenden den Gravitationslinseneffekt. Dazu müssen sie auch die Entfernung aller Galaxien zur Erde messen, was mithilfe der Rotverschiebung erfolgt: Das Licht von weiter entfernt liegenden Galaxien ist zu röteren Wellenlängen verschoben.

Experte für die Datenkalibrierung
Hier kommt die Expertise von Hendrik Hildebrandts Team ins Spiel. Denn die Rotverschiebung ist gar nicht so leicht zu detektieren. Üblicherweise dienen spektroskopische Messungen als Grundlage. In einem Spektrum wird exakt aufgetragen, wie viel Licht eine Galaxie bei verschiedenen Wellenlängen aussendet, sodass präzise bestimmt werden kann, wie stark das Licht in den roten Bereich verschoben ist. Spektroskopische Messungen sind allerdings aufwendig und unmöglich für Milliarden von Galaxien zu machen. Euclid nutzt daher ein vereinfachtes Verfahren: Es nimmt Bilder der Galaxien in verschiedenen Farbbändern auf, zum Beispiel eines im blauen, eines im grünen und eines im roten Bereich. Dann ermitteln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Helligkeit der Galaxie in den verschiedenen Bildern. So lässt sich die ungefähre Rotverschiebung messen.

Damit das Verfahren möglichst exakt funktioniert, muss es kalibriert werden. Genau hierfür ist Hendrik Hildebrandt weltweit als Experte gefragt. Seit 2011 ist er in die Vorbereitungen zur Euclid-Mission involviert. In Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen in Genf, Marseille, Barcelona, Bologna, München und Pasadena nutzt er Daten von anderen Beobachtungsprogrammen, die in kleinen Himmelsbereichen spektroskopische Messungen durchgeführt haben. „In diesen Bereichen gibt es also Galaxien, über die wir sehr viel wissen“, erklärt der Kosmologe. Dieses Wissen können die Forschenden mit den neuen Aufnahmen von Euclid zusammenbringen und so eine Kalibrierung vornehmen, die es erlaubt, die Rotverschiebung auch von neu aufgenommenen Galaxien zuverlässig zu bestimmen. Denn nur wenn die Entfernungen der Galaxien bekannt sind, kann das Euclid-Team die Expansionsgeschichte und das Wachstum der Strukturen des Universums rekonstruieren – und so ergründen, was es mit der Dunklen Energie auf sich hat.

Relativitätstheorie im Test und Neutrinos auf der Waage
Nebenbei widmet sich Euclid noch anderen Fragen, testet zum Beispiel Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie in Bereichen, in denen sie noch nie zuvor auf den Prüfstand gestellt worden ist. Oder versucht, die bislang unbekannte Masse von Neutrinos – einer Sorte von Elementarteilchen – zu ermitteln. Aber das ist noch nicht alles.

„Euclid wird an so viele Stellen des Universums gucken, wo wir noch nie zuvor hingeschaut haben“, schwärmt Hendrik Hildebrandt. „Wenn wir in 20 bis 30 Jahren auf die Mission zurückschauen, wird sie uns eventuell gar nicht für die Erkenntnisse in Erinnerung geblieben sein, für die sie ursprünglich gestartet wurde – sondern für Dinge, die wir jetzt gar nicht erwarten. Das ist vielleicht das Tollste an dieser Mission: Ich bin mir fast sicher, dass wir etwas Neues finden werden. Etwas, womit wir jetzt noch gar nicht rechnen.“

Kooperationspartner
Für die Kalibrierung der Rotverschiebung arbeitet Hendrik Hildebrandt mit Partnerinnen und Partnern der Ludwig-Maximilians-Universität München, des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, der Universität Genf, dem Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, der Universitat Autònoma de Barcelona, dem Osservatorio di Astrofisica di Bologna sowie dem California Institute of Technology in Pasadena, USA, zusammen.

Mission Euclid
Euclid ist eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA, kurz für European Space Agency. Auch die US-Organisation NASA ist involviert. Im Juli 2023 wird die Mission ein Weltraumteleskop ins All befördern, das eine vergleichbare Auflösung wie das Hubble-Teleskop haben wird, aber einen viel größeren Ausschnitt des Himmels betrachten kann. Euclid schaut quasi überall hin, wo der Blick nicht durch die Milchstraße oder die Ekliptik – die Ebene, in der Sonne und Planeten aus Sicht der Erde liegen – versperrt ist. Es wird aber noch etwas Zeit vergehen, bis es an seinem Bestimmungsort angekommen ist, Daten gesendet hat und diese prozessiert und analysiert sind. Die Forschenden rechnen mit den ersten kosmologischen Auswertungen frühestens in der ersten Jahreshälfte 2025.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: OHB SE 27. Oktober 2022.

Bremen, 27. Oktober 2022. Die OHB Digital Services GmbH, ein Tochterunternehmen des Raumfahrtkonzerns OHB SE, ist von der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) beauftragt worden, das Projekt „Urban Green View“ zu koordinieren. In einer Studie soll gemeinsam mit den Städten Essen, Bochum und Dortmund untersucht werden, wie mit Satellitendaten aus dem All die Stadtbegrünung überwacht, geplant und künftig noch gezielter im Kampf gegen den Klimawandel eingesetzt werden kann. Dafür bringen die Raumfahrtexperten ihre gebündelte Digitalkompetenz ein. Im „Urban Green View“-Konsortium sind als weitere Partner OHB Digital Connect und die Universität Trier vertreten. Beide genannten OHB-Unternehmen gehören zum Segment „Digital“, neben „Space Systems“ und „Aerospace“ der dritte Geschäftsbereich des Raumfahrtkonzerns.

Schon jetzt heizen sich unsere Städte aufgrund der fortschreitenden Erderwärmung immer weiter auf und Hitzewellen nehmen zu, bis zum Jahr 2040 werden sie sich im Vergleich zum ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts voraussichtlich sogar vervierfachen. Gegen Hitze in den Städten helfen Bäume, Büsche, Blumen und Wiesen. Sie produzieren Sauerstoff und kühlen Gebäude ebenso wie überhitzte Straßenfluchten ab. Jüngste Studien zeigen deutlich: Grün in der Stadt ist eine der besten Maßnahmen gegen Hitzestress. Wie aber lässt sich die Stadtbegrünung besser und gezielter überwachen und planen? Welchen Bedarf haben die Kommunen? Welche Daten brauchen Stadtplaner, Architekten, Umweltämter oder der Landschafts- und Gartenbau, um vorausschauend grüne Zonen zur Kaltluftproduktion anzulegen? Wie groß müssen die Grünflächen sein, um den Menschen genügend Abkühlung zu bieten? Und welche Pflanzen eigenen sich am besten für die grüne Lunge in der Stadt? „Das Projekt ist für uns eine ganz wunderbare Herausforderung. Vor allem ist es spannend, mit Erdbeobachtungsdaten einen innovativen Datenservice aufzubauen und Plattformen zu entwickeln, die unserer Gesellschaft helfen, den Auswirkungen des Klimawandels mit intelligenten Maßnahmen besser zu begegnen“, sagt Projektleiterin Dr.-Ing. Danijela Ristic-Durrant, bei OHB Digital Services die Expertin für KI und „Computer Vision“.

Noch stehe nicht fest, welche Satellitendaten sich in welchem Umfang eignen. Die Machbarkeitsstudie ziele darauf ab, so Danijela Ristic-Durrant, Dienste auf der Grundlage von Satellitendaten wie Copernicus Sentinels, anderen nicht-kommerziellen Satellitenmissionen, z.B. Landsat, bestehenden Erdbeobachtungsprodukten, LiDAR, kommerziellen Satellitendaten sowie den Satellitenmissionen MTG oder EnMAP in den Vordergrund zu stellen. Auch die Kombination mit anderen Datenquellen, wie zum Beispiel lokale Sensoren, kämen in Betracht. „Das Projekt ist gerade erst gestartet. Der Austausch und der Dialog mit unseren Partnern und weiteren Stakeholdern ist aber schon jetzt sehr intensiv und inspirierend. Unsere Aufgabe wird es nun sein, mit unserer hohen Expertise aus der Raumfahrt gute und nachhaltige Lösungen für uns auf der Erde zu entwickeln“, so die Projektleiterin.

Dr. Frank Knospe, Leiter des Essener Stadtamtes für Geoinformation, Vermessung und Kataster, freut sich über die Zusammenarbeit und den Austausch mit den Raumfahrtexperten, denn auch für seine Stadt wie für das gesamte Ruhrgebiet sind Satellitendaten von entscheidender Bedeutung bei der Planung. „So ermöglicht uns die hohe zeitliche Auflösung der Copernicus-Sensoren erstmalig, den ,Organismus‘ Siedlungs- und Landschaftsstruktur zu verstehen. Dadurch können wir die Herausforderungen im Kontext der Anpassung an die Folgen des Klimawandels auf lokaler und regionaler Ebene erfassen, im Trend beobachten und letztlich besser bewältigen“, so Knospe.

Neben OHB Digital Services als Koordinator des Projekts wird das „Urban Green View“-Konsortium durch die beiden Partner OHB Digital Connect und die Universität Trier ergänzt. Darüber hinaus sind Stakeholder aus dem Ruhrgebiet, vertreten durch die Städte Essen, Bochum und Dortmund, sowie die Ämter für Raumordnung und Wasserwirtschaft als relevante Pilotanwender in die Studie eingebunden.
Das Projekt „Urban Green View“ wird von der Europäischen Raumfahrtagentur ESA gefördert im ARTES 4.0 Generic Programme Line Business Applications – Space Solutions (BASS) Feasibility Study “Space for Urban Green”. Bei der ESA betreut Roberta Mugellesi Dow das Projekt „Urban Green View“.

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• Klimawandel

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