Quelle: MPE 29. April 2024.

29. April 2024 – Die ersten Bilder des Einstein-Probe-Satelliten, eines neuen, am 9. Januar 2024 gestarteten Röntgensatelliten, die vom Einstein-Probe-Wissenschaftsteam veröffentlicht wurden, zeigen eine hervorragende Leistung und übertreffen sogar teilweise die Erwartungen an die beiden wissenschaftlichen Instrumente. Das Wide-Field X-ray Telescope (WXT) ist in der Lage, innerhalb von 5 Stunden den halben Himmel zu durchmustern und systematisch nach neuen Röntgenquellen zu suchen, die auf hochenergetische transiente Phänomene in der Umgebung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen hinweisen. Das Follow-up-Teleskop (FXT) führt Nachbeobachtungen der spannendsten Ereignisse mit tieferen Aufnahmen durch. Zu dem von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) geleiteten Satellitenprojekt steuerte das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) maßgeblich bei, insbesondere zum FXT-Instrument, das auf dem Design des eROSITA-Teleskops basiert und der am MPE entwickelten Röntgenbildgebungstechnologie ein weiteres Einsatzgebiet eröffnet.

Die ersten Bilder des Einstein-Probe-Satelliten wurden nach dem 7. gemeinsamen Workshop des Einstein-Probe-Konsortiums, der vom 24. bis 26. April 2024 in Peking stattfand, der Öffentlichkeit vorgestellt. Seit dem Start wurden der Satellit und seine Instrumente in Betrieb genommen, sowie Funktionalitäten und Charakteristiken gemessen und kalibriert.

„Das WXT verfügt über eine einzigartige Kombination aus Sichtfeld und hoher Empfindlichkeit, und ist darauf ausgelegt, neue Entdeckungen am veränderlichen Röntgenhimmel zu machen. Mit diesen ersten Daten wissen wir nun, dass dieses Versprechen eingelöst werden kann“, sagt Arne Rau, Astrophysiker am MPE und Mitglied des Einstein Probe Science Management Committee. Inzwischen wurde bei 10 der 12 Module des WXT die Kalibrierung abgeschlossen. Mit einer Positionsgenauigkeit von ~2 Bogenminuten, einer Winkelauflösung von 4-5 Bogenminuten und einer Lichtsammelfläche von ca. 3 cm² (bei einer Energie von 1 keV) erfüllt das Instrument nicht nur die wissenschaftlichen Anforderungen, sondern übertrifft sie in einigen Bereichen sogar. Die Leistung der WXT-Optik im Orbit wurde durch die vorherige Kalibrierung am Boden in der PANTER-Anlage des MPE gut vorhergesagt.

Tests des FXT in der Erdumlaufbahn haben die Leistung der beiden Einheiten, die dem Design des eROSITA-Röntgenteleskops des MPE nachempfunden wurden, in ähnlicher Weise bestätigt. Für das FXT der Einstein Probe lieferte MPE das Ersatzspiegelmodul von eROSITA und arbeitete mit der ESA und Industriepartnern zusammen, um das zweite Spiegelmodul bereitzustellen. „Es ist sehr erfreulich zu sehen, dass beide Spiegelmodule des FXT im Orbit hinsichtlich Auflösungsvermögen und Sammelfläche die Leistungsfähigkeit zeigen, die wir in den aufwändigen röntgenoptischen Tests am Boden gemessen haben“, sagt Peter Friedrich, der den Optikbeitrag des MPE zu Einstein Probe leitete. „Persönlich freut es mich auch, dass das eROSITA-Ersatz-Spiegelmodul nun auch eine angemessene wissenschaftliche Verwendung gefunden hat.

Das MPE steuerte auch die hochmodernen pnCCD-Detektormodule für beide FXT-Einheiten bei. Diese basieren, wie auch schon bei eROSITA, auf einer Sensor-Technologie entwickelt am Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft. „Die am MPE entwickelten FXT-CCD-Detektormodule für die orts- und zeitaufgelöste Spektroskopie von Röntgenphotonen haben die hohen Erwartungen erfüllt, die wir vor dem Start des Satelliten in sie gesetzt haben. Wir freuen uns sehr, einen entscheidenden Beitrag zum Erfolg der Einstein-Probe-Mission geleistet zu haben“, ergänzt Norbert Meidinger, der am MPE für die Detektoren verantwortlich war. Die Spiegel-Detektor-Kombination bietet eine Positionierungsgenauigkeit der Quelle von <10 Bogensekunden und eine Lichtsammelfläche von ~300 cm² bei 1.25 keV, zusammen mit einer hervorragenden Leistung in Bezug auf Energie- und Zeitauflösung. Wie das WXT hat auch das FXT seine wissenschaftlichen Anforderungen erfüllt und in einigen Bereichen sogar übertroffen.

Selbst in dieser frühen Testphase hat der Einstein-Probe-Satellit bereits neue Entdeckungen gemacht. „WXT begann fast sofort nach dem Einschalten neue veränderliche Quellen zu finden. Inzwischen haben wir mehr als ein Dutzend neuer Röntgentransienten und über hundert Ausbrüche von Sternen in unserer Galaxie entdeckt“, fügt Rau hinzu. Diese Entdeckungen wurden schnell in mehr als 20 Telegrammen an die globale astronomische Gemeinschaft gemeldet, was zu weltweiten Nachbeobachtungen mit boden- und weltraumgestützten Teleskopen führte, einschließlich des MPE-eigenen GROND-Instruments am 2.2-Meter-MPG-Teleskop in La Silla. Diese ersten Ergebnisse bestätigen das Potenzial von Einstein Probe, neue Quellen und möglicherweise neue astrophysikalische Phänomene zu entdecken, insbesondere energiereiche Ereignisse im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern, Neutronensternen und deren Verschmelzungen.

Das Projekt ist die erste große Zusammenarbeit zwischen dem MPE und CAS im Weltraum, bei der einzigartige Technologien aus China und Europa für ein gemeinsames wissenschaftliches Ziel kombiniert werden. „Einstein Probe nutzt die Instrumentenentwicklungen, die wir für eROSITA gemacht haben, um neue wissenschaftliche Möglichkeiten zu eröffnen“, sagt Paul Nandra, Direktor der MPE-Hochenergiegruppe, und fügt hinzu: „Die Zusammenarbeit hat perfekt funktioniert – wir freuen uns schon auf die nächste!“

In den kommenden Monaten wird der Satellit seine Kalibrierungsaktivitäten in der Umlaufbahn fortsetzen, bevor er etwa Mitte Juni 2024 den regulären Betrieb aufnimmt.

Einstein Probe ist eine wissenschaftliche Mission im All unter der Leitung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) in Zusammenarbeit mit dem MPE, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der französischen Raumfahrtbehörde Centre National D’Etudes Spatiales (CNES).

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• Aiyinsitan Tanzhen (Einstein Probe) auf CZ-2C

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Quelle: MPE 9. Januar 2024.

9. Januar 2024 – Der Röntgensatellit „Einstein Probe“ der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) wurde am 9. Januar 2024 erfolgreich vom Xichang Satellite Launch Center in China mit einer „Long March-2C“-Rakete gestartet. Unter maßgeblicher Beteiligung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) ist das Teleskop mit hochmodernen Röntgenspiegeln und -detektoren ausgestattet und wird eine neue Ära in der zeitaufgelösten Astrophysik bei hohen Energien einläuten. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf sehr variablen und kurzlebigen Phänomenen im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern und Neutronensternen in unserer Milchstraße und in fernen Galaxien.

Das wissenschaftliche Hauptziel der Einstein Probe ist die Erforschung des vergänglichen und veränderlichen Röntgenhimmels, indem starke Ausbrüche von hochenergetischem Licht aufgefangen werden, die von Objekten wie verschmelzenden Neutronensternen und Schwarzen Löchern ausgehen. Im Gegensatz zu konventionellen Röntgenteleskopen kann die Einstein-Probe dank ihres einzigartigen Designs fast ein Zehntel des Himmels gleichzeitig überwachen. Sie wird damit viele Quellen entdecken, wenn sie im Röntgenbereich aufleuchten, und detaillierte Studien bekannter und neuer Himmelsphänomene über längere Zeiträume hinweg ermöglichen.

„Bislang war die Erforschung des veränderlichen Himmels im Röntgenbereich auf die wenigen hellsten Objekte beschränkt“, sagt Arne Rau, Astrophysiker am MPE und Mitglied des Einstein Probe Science Management Committee. „Mit dem Design und der Empfindlichkeit der Einstein Probe freue ich mich darauf, eine viel größere Anzahl von Ereignissen zu untersuchen, darunter auch die Signaturen von Sternen, die das Pech haben, von den supermassereichen schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien zerstört zu werden.“

Im Gegensatz zu den Sternen, die wir mit bloßem Auge sehen können, sind die meisten kosmischen Objekte, die im Röntgenlicht leuchten, sehr variabel. Sie werden ständig heller und dunkler, manchmal leuchten sie nur für kurze Zeit hell auf, bevor sie ganz verschwinden.

„Da die Einstein Probe den gesamten Himmel mit hoher Kadenz überwachen kann, ist sie eine Ergänzung zu anderen Röntgenmissionen wie eROSITA“, sagt Peter Friedrich, der den optischen Beitrag des MPE leitete. „Das Teleskop spielt eine entscheidende Rolle, eine Lücke der zeitaufgelösten Beobachtung in diesem Wellenlängenbereich zu schließen.“

Röntgenstrahlen werden insbesondere bei hochenergetischen Ereignissen ausgesandt, etwa bei Kollisionen zwischen Neutronensternen, bei Supernova-Explosionen, bei Sternen, die von massereichen Schwarzen Löchern zerrissen und verschlungen werden, oder von energiereichen Teilchen aus dem heißem Gas , das diese exotischen und geheimnisvollen Objekte umkreist. Die Einstein Probe wird unser Verständnis dieser kosmischen Ereignisse verbessern, indem sie neue Quellen entdeckt und die Variabilität von Objekten überwacht, die überall am Himmel im Röntgenlicht leuchten.

Darüber hinaus wird die Sonde dazu beitragen, unser Verständnis der Quellen zu verbessern, die Gravitationswellen aussenden. Wenn zwei sehr dichte, massereiche Objekte wie zwei Neutronensterne oder schwarze Löcher miteinander verschmelzen, erzeugen sie ein Gravitationswellensignal, das auf der Erde bereits mehrfach nachgewiesen wurde. Allerdings ist es oft schwierig, den Ort der Quelle zu bestimmen – am ehesten ist diese im Röntgenlicht zu erkennen, wenn dieser kosmische Crash von einem Lichtblitz begleitet wird. Die Einstein Probe kann routinemäßig neue Röntgenquellen aufspüren, schnell reagieren und in die Richtung zeigen, die bodengestützte Gravitationswellenexperimente vorgeben. Dies wird es den Wissenschaftlern ermöglichen, diese kurzlebigen Ereignisse zu untersuchen und ihren Ursprung zeitnah zu identifizieren.

Entscheidend für den Erfolg der Einstein Probe sind ihre hochmodernen Instrumente – das Wide-Field X-ray Telescope (WXT) und das Follow-up X-ray Telescope (FXT), wobei letzteres eng dem Design des eROSITA-Röntgenteleskops folgt. Das MPE lieferte das „flight spare“ Spiegelmodul für das FXT und arbeitete mit ESA und Partnern aus der Industrie zusammen, um auch das zweite Spiegelmodul herzustellen.

Das WXT-Teleskop nutzt eine innovative „Hummeraugen-Optik“, mit der die Einstein Probe 3600 Quadratgrad des Himmels gleichzeitig erfassen kann – fast ein Zehntel der Himmelskugel in einer einzigen Einstellung. Diese Leistung ist entscheidend für die Überwachung des gesamten Nachthimmels alle 4,5 Stunden und bietet einen umfassenden Blick auf das Röntgenuniversum. Wenn WXT eine neue Röntgenquelle entdeckt, kann der Satellit innerhalb von Sekunden rotieren und das viel empfindlichere FXT für eine detailliertere Untersuchung darauf ausrichten. Die Kalibierung der beiden Teleskope für WXT und FXT fand in der PANTER-Testeinrichtung des MPE statt.

Das MPE steuerte auch die hochmodernen Detektoren von FXT bei. „Wir haben die CCD-Detektormodule auf der Grundlage unserer Erfahrungen mit der erfolgreichen eROSITA-Mission entwickelt“, sagt Norbert Meidinger, der am MPE für die Detektoren verantwortlich war. „Ihre hervorragende Zeitauflösung von 50ms im Standard-Beobachtungsmodus und sogar 2ms im Fenster-Modus kombiniert mit einer state-of-the-art Energieauflösung nahe der theoretischen Grenze sind für das Erreichen der wissenschaftlichen Ziele der Einstein Probe Mission unerlässlich.“

Die Einstein Probe ist eine Röntgenmission der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE). Als Gegenleistung für seinen Beitrag zur Entwicklung dieser Mission erhält das MPE direkten Zugang zu 10 % der Daten, die bei den Beobachtungen von Einstein Probe anfallen.

„Es war eine großartige Teamleistung, unsere eROSITA-Hardware an die Spezifikationen der neuen Mission anzupassen – unter den sehr schwierigen Bedingungen während der Pandemie“, fügt Peter Friedrich hinzu. „Wir sind sehr stolz darauf, Teil dieses spannenden Projekts zu sein und freuen uns auf viele Entdeckungen und wissenschaftliche Möglichkeiten am veränderlichen Röntgenhimmel.“

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• Aiyinsitan Tanzhen (Einstein Probe) auf CZ-2C

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Quelle: ESA 21. Dezember 2023.

21. Dezember 2023 – Ausgestattet mit einer neuen Generation von Röntgeninstrumenten mit hoher Empfindlichkeit und einem sehr weiten Blickfeld wird diese Mission den Himmel vermessen und nach starker Röntgenstrahlung suchen, die von mysteriösen Himmelsobjekten wie Neutronensternen und schwarzen Löchern stammt.

Im Gegenzug für einen Beitrag zur Entwicklung dieser Mission und zur Festlegung der wissenschaftlichen Ziele erhält die ESA Zugang zu 10 % der Daten, die durch die Beobachtungen der Mission generiert werden.

„Dank seines innovativen Designs kann Einstein Probe große Bereiche des Himmels auf einen Blick beobachten. Auf diese Weise können wir viele neue Quellen entdecken und gleichzeitig das Verhalten des Röntgenlichts von bekannten Himmelsobjekten über lange Zeiträume hinweg untersuchen“, sagt Erik Kuulkers, ESA-Projektwissenschaftler für Einstein Probe.

„Der Kosmos ist unser einziges Labor, um die energiereichsten Prozesse zu untersuchen. Missionen wie Einstein Probe sind unerlässlich, um unser Verständnis dieser Prozesse zu verbessern und mehr über grundlegende Aspekte der Hochenergiephysik zu erfahren.“

Den Röntgenhimmel im Blick
Im Gegensatz zu den Sternen, die unseren Nachthimmel zieren und zuverlässig die Sternbilder kennzeichnen, sind die meisten kosmischen Objekte, die im Röntgenlicht leuchten, höchst variabel. Sie werden ständig heller und dukler, und in vielen Fällen tauchen sie kurz auf, bevor sie für längere Zeit (dann werden sie transient genannt) oder endgültig verschwinden.

Angetrieben von turbulenten kosmischen Ereignissen ist die Röntgenstrahlung aus astronomischen Quellen sehr unberechenbar. Sie enthält jedoch grundlegende Informationen über einige der rätselhaftesten Objekte und Phänomene in unserem Universum. Röntgenstrahlung wird mit Kollisionen zwischen Neutronensternen, Supernova-Explosionen, Materie, die auf Schwarze Löcher oder hyperdichte Sterne fällt, oder hochenergetischen Teilchen, die von Scheiben aus glühendem Material ausgespuckt werden, die solche exotischen und geheimnisvollen Objekte umkreisen, in Verbindung gebracht.

Einstein Probe wird unser Verständnis dieser kosmischen Ereignisse verbessern, indem sie neue Quellen entdeckt und die Variabilität von Objekten überwacht, die überall am Himmel in Röntgenlicht leuchten.

Die Fähigkeit, routinemäßig neue Röntgenstrahlung aufzuspüren, ist von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis des Ursprungs von Gravitationswellen. Wenn zwei hyperdichte massive Objekte wie zwei Neutronensterne oder Schwarze Löcher zusammenstoßen, entstehen im Gefüge der Raumzeit Wellen, die kosmische Entfernungen überwinden und uns erreichen. Mehrere Detektoren auf der Erde sind nun in der Lage, dieses Signal zu registrieren, können aber oft die Quelle nicht lokalisieren. Handelt es sich um Neutronensterne, geht ein solcher „kosmischer Crash“ mit einem enormen Lichtstoß über das gesamte Lichtspektrum und insbesondere in der Röntgenstrahlung einher. Indem wir es Forschenden ermöglichen, diese kurzlebigen Ereignisse zeitnah zu untersuchen, wird uns Einstein Probe dabei helfen, den Ursprung vieler der Gravitationswellenimpulse zu identifizieren, die auf der Erde beobachtet werden.

Hummeraugen im All
Um alle wissenschaftlichen Ziele zu erreichen, ist Einstein Probe mit einer neuen Generation von Instrumenten mit hoher Empfindlichkeit und der Fähigkeit ausgestattet, große Bereiche des Himmels zu beobachten: das Weitfeld-Röntgen-Teleskop (WXT) und das Follow-up-Röntgen-Teleskop (FXT).

WXT verfügt über ein modulares optisches Design, das den Augen eines Hummers nachempfunden ist und innovative Micro Pore Optics Technologie verwendet. Damit kann das Instrument 3600 Quadratgrad (knapp ein Zehntel der Himmelskugel) in einer einzigen Aufnahme beobachten. Dank dieser einzigartigen Fähigkeit kann Einstein Probe fast den gesamten Nachthimmel in drei Umlaufbahnen um die Erde (jede Umkreisung dauert 96 Minuten) beobachten.

Anschließend werden neue Strahlenquellen oder andere interessante Ereignisse, die von WXT entdeckt werden, gezielt untersucht und mit dem empfindlicheren FXT eingehend untersucht. Entscheidend ist, dass das Raumfahrzeug auch ein Signal an die Bodenstation sendet, um andere Teleskope auf der Erde und im Weltraum zu aktivieren, die in anderen Wellenlängen (vom Radio bis zum Gammastrahl) arbeiten. Sie werden schnell auf die neue Quelle ausgerichtet, um wertvolle Daten in mehreren Wellenlängen zu sammeln und so eine gründlichere Untersuchung des Ereignisses zu ermöglichen.

Europäischer Beitrag
Die ESA hat bei der Entwicklung der wissenschaftlichen Instrumente der Sonde eine wichtige Rolle gespielt. Sie leistete Unterstützung bei der Erprobung und Kalibrierung der Röntgendetektoren und der Optik von WXT.

Die ESA entwickelte in Zusammenarbeit mit dem MPE und Media Lario (Italien) die Spiegelanordnung eines der beiden Teleskope von FXT. Die FXT-Spiegelanordnung basiert auf dem Design und der Technologie der XMM-Newton-Mission der ESA und der eROSITA-Mission der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

Das MPE steuerte die Spiegelanordnung für das andere Teleskop von FXT bei und entwickelte die Detektormodule der beiden Einheiten von FXT. Für FXT stellte die ESA auch das System zur Verfügung, um unerwünschte Elektronen von den Detektoren (dem Elektronendiverter) abzulenken.

Während der gesamten Mission werden die Bodenstationen der ESA genutzt, um die Daten der Sonde herunterzuladen.

Die ESA-Flotte hochenergetischer Missionen
Die ESA blickt auf eine lange, erfolgreiche Geschichte in der Hochenergie-Astronomie zurück. XMM-Newton und Integral untersuchen seit über zwei Jahrzehnten das Universum im Röntgen- und Gammastrahlenbereich, was zu großen Fortschritten auf diesem Gebiet geführt hat. Die ESA nimmt auch an der Röntgenstrahlung und Spektroskopie-Mission (XRISM) Teil, die von der Japanischen Raumfahrtagentur (JAXA) in Zusammenarbeit mit der NASA geleitet wird und die im Sommer 2023 gestartet ist.

„Die Fähigkeiten von Einstein Probe ergänzen in hohem Maße die eingehenden Untersuchungen einzelner kosmischer Quellen, die durch die anderen Missionen ermöglicht werden“, bemerkt Kuulkers. „Dieser Röntgenmesser ist auch der ideale Vorläufer der ESA New Athena-Mission, an der derzeit gearbeitet wird und das größte jemals gebaute Röntgenobservatorium sein wird.“

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• Aiyinsitan Tanzhen (Einstein Probe) auf CZ-2C

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