Ein Beitrag von Stefan Heykes. Quelle: SRON. Vertont von Peter Rittinger.

Die ersten Ideen zu einem Weltraumteleskop für fernes Infrarotlicht und Submillimeter/Millimeterwellen gehen in Russland bereits auf die 1970er zurück. Der Bau eines solchen Systems war zu jener Zeit aber noch völlig unmöglich. Erst seit einigen Jahren wird das Konzept wieder verfolgt. Millimetron soll einen Hauptspiegel von 10 m Durchmesser erhalten und wäre dann das größte Weltraumteleskop der Welt. Bislang hält Herschel mit 3,5 m den Rekord im optischen Bereich, ab 2018 soll das James Webb Space Teleskope (JWST) mit 6,5-m-Hauptspiegel im Einsatz sein.

Millimetron soll im wesentlichen zwei Betriebsmodi erhalten. Zum einen soll es als Ferninfrarot-Teleskop im Einzelbetrieb wie ein klassisches Weltraumteleskop eingesetzt werden. Die Instrumente für diesen Modus basieren im Wesentlichen auf denen von Herschel. Mit seinem etwa dreimal so großen Spiegel wird Millimetron jedoch rund zehnmal empfindlicher sein und die dreifache Auflösung von Herschel bieten.

Im zweiten Betriebsmodus soll Millimetron als Interferometer in Zusammenarbeit mit Bodenteleskopen betrieben werden. Die Technik dafür basiert auf dem derzeit im Einsatz befindlichen Projekt RadioAstron. Während dieses mit Wellenlängen von 1,35 cm bis 92 cm arbeitet, soll Millimetron bei 0,3 mm bis 17 mm Wellenlänge arbeiten. Die kürzeren Wellenlängen erfordern dabei die Zusammenarbeit mit speziellen Submillimeter/Millimeter-Teleskopen wie zum Beispiel ALMA oder dem geplanten Event Horizon Telescope. Für die kurzen Wellenlängen dienen die Empfänger der ALMA-Antennen auch als Vorbild für die Technik von Millimetron.

Nicht nur bei den Instrumenten, sondern auch bei der Umlaufbahn basiert Millimetron auf Herschel. Wie dieses auch, soll Millimetron um den Sonne-Erde-L2 kreisen. Dieser Punkt liegt von der Sonne aus gesehen rund 1,5 Mio Kilometer hinter der Erde. Hier gibt es praktisch keine Störeinflüsse mehr von der Erde, daher entwickelt sich dieser Punkt mehr und mehr zum Sammelpunkt für Weltraumteleskope. Während Herschel und Planck ihre Mission dort beendet haben, werden in den nächsten Jahren auch GAIA, Spektr-RG oder auch das JWST in einen solchen Orbit einschwenken.

Diese große Entfernung zur Erde erlaubt es im Interferometer-Betrieb zudem, bislang unerreichte Winkelauflösungen zu ermöglichen. Während RadioAstron bei bis zu 350.000 km Basislänge für die kürzeste Wellenlänge auf etwa 7 Mikrobogensekunden kommt, könnte Millimetron dank größerem Abstand und kürzerer Wellenlänge auf bis zu 40 Nanobogensekunden kommen. Submillimeter-Interferometer auf der Erde wie das Event Horizon Telescope hingegen kommen nur auf etwa 20 Mikrobogensekunden. Die um Größenordnungen höhere Auflösung bietet damit das Potential für vollkommen unerwartete Entdeckungen.

Infrarotteleskope haben ein großes Problem: Um vernünftig zu funktionieren, müssen sie auf tiefe Temperaturen herab gekühlt werden. Ansonsten wäre die thermische Strahlung des Systems selbst eine massive Störquelle und würde Beobachtungen mehr oder weniger unmöglich machen. Jedes Infrarotteleskop benötigt daher eine Kühlung. Für nahes Infrarot reicht eine passive Kühlung durch einen Hitzeschild sehr gut aus, aber für fernes Infrarot reicht das nicht mehr. Systeme wie Herschel wurden daher mithilfe eines Kryostaten gekühlt. Das heißt, sie hatten mehrere Tausend Liter flüssiges Helium an Bord, das nach und nach verdampft und dadurch das System kühlt.

Dies ist aber sowohl eine schwere Lösung als auch eine, die die Lebensdauer stark begrenzt. So war Herschel nur knapp 4 Jahre im Einsatz. Daher soll Millimetron eine neuartige Kühlung erhalten. Zunächst wird der ganze Spiegel von 4 Lagen Hitzeschutzfolie umgeben, die als passive Kühlung wirken. Dazu kommt noch eine aktiv gekühlte Lage, außerdem werden alle Instrumente ebenfalls aktiv gekühlt. Dadurch kann das Teleskop selbst auf eine Temperatur von 4,5 K (-268,5 °C) gebracht werden, einige Instrumente werden sogar auf 1,7 K herunter gekühlt. Die abgeführte Wärme wird dann über Radiatoren abgestrahlt. Dieses System wird nur eine Menge von 10-20 Liter Helium als Kühlmittel brauchen, aber kann damit 3-5 Jahre aktiv gekühlt werden.

Insgesamt soll Millimetron eine Lebensdauer von 10 Jahren besitzen. Wenn die aktive Kühlung versagt, wird auch die passive Kühlung noch weiter wissenschaftliche Beobachtungen erlauben. Allerdings werden diese dann nicht mehr die Qualität der ersten Jahre erreichen können. Die Entwicklung der aktiven Kühlung stellt eine große Herausforderung dar, da sie erstmals verwendet werden soll für ein so großes System.

Eine weitere Herausforderung stellt die Konstruktion des Spiegels dar. Der Grundentwurf sieht vor, dass ein zentraler Spiegel von 3 Metern Durchmesser und einer Oberflächengenauigkeit von unter 5 Mikrometern von 24 „Blütenblättern“ umgeben werden soll, durch die sich ein 10 m durchmessender Spiegel mit einer Genauigkeit von unter 10 Mikrometern ergeben soll. Dieser Grundentwurf ist nahezu identisch mit dem der Antenne von RadioAstron (da waren es 27 „Blütenblätter“) und hat sich dort bereits bewährt. Der Spiegel wird sich im Weltraum dann wie eine Blüte entfalten.

Das große Problem bei der Entwicklung dieses Spiegels ist aber die Masse des Systems. Mit einer CFK-Struktur wie bei RadioAstron lässt sich die für Millimetron benötigte Genauigkeit bei tiefen Operationstemperaturen nicht erreichen. Daher musste zunächst einiges an grundlegender Materialforschung betrieben werden. Derzeit scheint sich jedoch eine Kombination auf Kohlefaser, Cyanatester und einer Quartzmatrix als geeignetes Material herauszukristallisieren. Erste Testpanele wurden bereits erstellt und vermessen.

Wenn die Entwicklung optimal verlaufen sollte, wäre ein Start bereits 2019 möglich. Es wird jedoch von offizieller Seite der ganze Zeitraum von 2019-2022 als mögliches Startfenster genannt. Noch ist es angesichts offener Entwicklungsrisiken, vor allem bei Spiegel und Kühlung, aber nicht möglich, ein wirklich zuverlässiges Datum zu nennen. Dies wird sich erst in den nächsten Jahren ergeben. Als Rakete für den bis zu 6.600 kg schweren Satelliten ist eine Proton oder Angara vorgesehen.

Wissenschaftliche Ziele
Millimetron soll für eine ganze Reihe von Forschungszielen neue Erkenntnisse liefern. So soll Millimetron zum Beispiel die Untersuchung des interstellaren Mediums mit bislang unerreichter Sensitivität, räumlicher und spektraler Auflösung durchführen. Das gleiche gilt auch für Sternentstehungsgebiete und andere Gaswolken im Universum. Auch bei der Erforschung von Exoplaneten wird Millimetron nützlich sein, da es die Möglichkeit bietet, viele Exoplaneten-Atmosphären direkt spektrografisch zu untersuchen. Damit lässt sich herausfinden, welche Gase in diesen Atmosphären vorkommen. Bei günstigen Zielen könnte es damit sogar möglich sein, Leben nachzuweisen.

Millimetron wird als Interferometer auch zuvor unmögliche Untersuchungen erlauben. So könnte es zum Beispiel verwendet werden, um die Größe supermassiver schwarzer Löcher zu bestimmen. Sowohl RadioAstron als auch das Event Horizon Telescope können bestenfalls den Ereignishorizont nachweisen, aber nicht strukturiert auflösen. Die Erforschung des Kernbereichs aktiver Galaxienkerne wird damit nochmals einen deutlichen Schub erhalten.

Diskutieren Sie mit:

• Russische Weltraumteleskope: Die Spektr-Serie

Der Beitrag Millimetron: Das Erbe von Herschel und RadioAstron erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Max-Plack-Institut für Astronomie, ESO.

Die ertragreichsten „Ausbrüche“ von Sternentstehungen im frühen Universum konnten in weit entfernten Galaxien beobachtet werden. Dabei bildeten sich derart viele Sterne, dass diese Galaxien für einen nicht unbeträchtlichen Anteil an der gesamten Energiefreisetzung aller Galaxien in der Geschichte des Universums verantwortlich sind. Die Untersuchung dieser „alten“ Galaxien ist von zentraler Bedeutung für das astrophysikalische Verständnis bezüglich der Entstehung und Weiterentwicklung von Galaxien im Laufe der Geschichte unseres Universums.

Allerdings sind diese Milliarden von Lichtjahren von unserer Heimatgalaxie entfernt gelegenen Galaxien im Normalfall hinter kosmischem Staubwolken verborgen und deshalb für „konventionelle“ Teleskope, welche ausschließlich im sichtbaren Bereich des Lichts arbeiten, nahezu unsichtbar. Erst bei Beobachtungen im Bereich der Submillimeterwellen – einer elekromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen zwischen einigen Zehntel Millimetern und einem Millimeter – lassen sich diese sogenannten „Submillimetergalaxien“ und deren Sternentstehungsaktivität vollständig erfassen.

Bisherige Submillimeter-Beobachtungen dieser weit entfernten Objekte hatten allerdings mit einer mangelhaften Detailschärfe der dafür eingesetzten Beobachtungsinstrumente zu kämpfen. Kürzlich hat allerdings eine Forschergruppe unter der Leitung von Ian Smail von der Universität Durham/England eine umfassende und detaillierte Durchmusterung von mehr als hundert Submillimetergalaxien durchgeführt. Für die damit verbundenen Beobachtungen verwendeten die Astronomen das erst kürzlich am 13. März 2013 offiziell in Betrieb gestellte, in den chilenischen Anden befindliche Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (kurz „ALMA“).

Der ALMA-Teleskopverbund ist eine internationale astronomische Forschungseinrichtung, welche gemeinsam von europäischen, nordamerikanischen und ostasiatischen Instituten in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Von europäischer Seite aus wird ALMA über die Europäische Südsternwarte (ESO) finanziert. Den nordamerikanischen Beitrag stellt die National Science Foundation (NSF) der USA in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC) und dem taiwanesischen National Science Council (NSC). Für Ostasien ist das japanische National Institute of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan zuständig. Im Betriebsmodus erreicht das ALMA ein Auflösungsvermögen, welches die Auflösung früherer Himmelsbeobachtungen um einen Faktor von mehr als 10 übersteigt.

Im Rahmen ihrer Forschungen konnten die Astronomen um Ian Smail durch die Verwendung des ALMA die Positionen von über 100 Galaxien im frühen Universum genau bestimmt, in denen besonders viele Sterne entstanden sind. ALMA war dabei in der Lage, innerhalb weniger Stunden so viele dieser Galaxien zu beobachten, wie zuvor von allen vergleichbaren Teleskopen weltweit in einem Zeitraum von mehr als einem Jahrzehnt aufgenommen wurden.

„Astronomen haben über ein Jahrzehnt auf Daten wie diese gewartet. Das ALMA ist so leistungsstark, dass es die Methode, mit der wir diese Galaxien beobachten, revolutioniert hat – und das obwohl das Teleskop noch gar nicht vollkommen fertiggestellt war, als die entsprechenden Beobachtungen durchgeführt wurden“, so Jacqueline Hodge vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, die Erstautorin eines Fachartikels über die neuen ALMA-Beobachtungen. Für die entsprechenden Beobachtungen wurden 15 der ALMA-Antennen so zusammengeschaltet, dass diese als ein einziges, sehr großes Teleskop agierten.

Die zuvor beste Karte dieser entfernten, staubreichen Galaxien, welche sich in einer im Sternbild Chemischer Ofen (lateinisch „Fornax“) gelegenen Himmelsregion namens „Extended Chandra Deep Field South“ befinden, stammte vom Atacama Pathfinder Experiment (kurz „APEX“), welches von der ESO betrieben wird. Die APEX-Karte erfasst ein Gebiet von etwa der Größe des Vollmondes am Himmel und zeigt 126 weit entfernter Galaxien. Allerdings erschien auf den APEX-Bildern jeder dort erkennbare „Ausbruch einer Sternentstehung“ als ein relativ verschwommener Fleck, welcher dabei nicht mit vollständiger Sicherheit einer bestimmten Galaxie zugeordnet werden konnte. Ohne definitiv zu wissen, zu welchen Galaxie ein bestimmtes Sternentstehungsgebiet gehört, waren die Astronomen bisher bei der Erforschung der Sternentstehung im frühen Universum jedoch stark eingeschränkt.

Die Antennenschüssel des APEX-Teleskops verfügt über einen Durchmesser von 12 Metern. Der Teleskopverbund ALMA nutzt allerdings gleich mehrere APEX-ähnliche Antennenschüsseln, welche über weite Strecken verteilt sind. Die Signale all dieser Antennen werden im Rahmen einer Messung vereint, wodurch die Wissenschaftler in Bezug auf die Detailschärfe der Aufnahmen effektiv ein Teleskop erhalten, welches so groß wie die gesamte Antennenanlage ist. Die neuen ALMA-Beobachtungen erweitern somit die zuvor gewonnenen hochaufgelösten Aufnahmen dieser Region im Millimeter-/Sub-Millimeterbereich des elektromagnetischen Spektrums und ergänzen so die früheren Beobachtungen.

Mit einer im Vergleich zum APEX dreimal höheren Empfindlichkeit benötigten die eingesetzten Antennen des ALMA lediglich zwei Minuten pro Galaxie, um jede von ihnen innerhalb eines winzigen Gebietes genau zu lokalisieren, welches jetzt jeweils etwa 200 mal kleiner als die noch relativ weiträumigen „Flecken“ der APEX-Messungen ist. Das ALMA ist so viel empfindlicher als andere Teleskope seiner Art, dass es innerhalb weniger Stunden die Gesamtzahl vergleichbarer Beobachtungen, welche jemals durchgeführt wurden, verdoppelte.

Die beteiligten Astronomen konnten dabei nicht nur eindeutig bestimmen, welche der Galaxien aktive Sternentstehungsregionen aufweisen, sondern stellten in mehr als der Hälfte der Fälle fest, dass mehrere Galaxien, in denen sich Sternentstehungsgebiete befinden, in früheren Beobachtungen zu einem einzigen Fleck „vermischt“ wurden.

„Bisher sah es so aus, als würden sich in den hellsten dieser Galaxien mehr als tausend Mal schneller neue Sterne bilden als in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. Bei solchen Sternentstehungsraten wären die betreffenden Galaxien Gefahr gelaufen, sich regelrecht auseinander zu sprengen. Jetzt haben die ALMA-Bilder dort, wo wir einzelne, hyperaktive Galaxien vermutet hatten, jeweils gleich mehrere kleinere Galaxien gezeigt – jede mit merklich moderaterer Sternentstehungsaktivität“, so Alexander Karim von der Universität Durham, ein weiteres Mitglied des Teams und Erstautor einer zweiten, begleitenden Veröffentlichung zu dieser Studie.

Die Ergebnisse bilden den ersten statistisch zuverlässlichen Katalog von staubigen Galaxien mit Sternentstehung im frühen Universum und stellen eine solide Grundlage für weitere Untersuchungen der Eigenschaften dieser Galaxien bei anderen Wellenlängen dar, ohne dabei Fehlinterpretationen aufgrund von nicht aufgelösten Abbildungen der Galaxien zu riskieren.

Beobachtungen bei einer noch höheren Auflösung, bei denen dann sämtliche 66 Antennen des inzwischen fertiggestellten ALMA-Antennenfeldes zum Einsatz kommen, versprechen noch bessere Resultate. Im Rahmen zukünftiger Studien sollten Antworten auf die Frage gefunden werden, wie Submillimetergalaxien eigentlich entstehen. In dem aus heutiger Sicht plausibelsten Szenario sind sie das Ergebnis der Kollision großer Galaxien. Die gegenseitige Gravitationsanziehung während der Kollision führt dabei zu einer Phase intensiver Sternentstehung. Hochauflösende Aufnahmen könnten Aufschlüsse über die Form der Galaxien geben und damit Spuren solcher Galaxienkollisionen sichtbar machen.

Doch trotz des hervorragenden Auflösungsvermögens von ALMA und dessen konkurrenzloser Empfindlichkeit kommt Teleskopen wie APEX immer noch eine wichtige Rolle zu. “ Das APEX kann ein größeres Gebiet am Himmel schneller durchsuchen als ALMA und ist somit ideal um solche Galaxien zu entdecken. Wenn wir dann erst einmal wissen, wo genau wir suchen müssen, dann können wir diese mithilfe von ALMA genau lokalisieren“, so Ian Smail.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse von Jacqueline Hodge et al. erscheinen demnächst unter dem Titel „An ALMA Survey of Submillimeter Galaxies in the Extended Chandra Deep Field South: Source Catalog and Multiplicity“ in der Fachzeitschrift „Astrophysical Journal“. Eine begleitende Veröffentlichung namens „An ALMA survey of submillimetre galaxies in the Extended Chandra Deep Field South: High resolution 870 μm source counts“ von Alexander Karim et al. über die Multiplizität der Quellen wird in den „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ publiziert.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• ESO-Projekt ALMA
• Sternentstehung

Fachartikel von Jacqueline A. Hodge et al.:

• An ALMA survey of submillimetre galaxies in the Extended Chandra Deep Field South: Source Catalog and Multiplicity (engl.)

Der Beitrag ALMA: Genaue Ortsbestimmung früher Galaxien erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Daniel Schiller. Quelle: CfA.

Bei der Bildung eines Sterns aus der ihn umgebenden Akkretionsscheibe strömt fortlaufend Materie aus der Scheibe zum Stern hin. Die Materie in der Scheibe besitzt einen Drehimpuls, rotiert also um den Stern herum. Beim Einfall der Materie in den jungen Stern muss sie einen Teil dieses Drehimpulses verlieren. Als Vermittler dieses Impulsverlusts wurden die Materieströme senkrecht zur Akkretionsscheibe vermutet, da nur diese Materie, und damit Impuls, aus dem System nehmen können. Um dies zu erreichen, muss die Materie in diesen Strömen selbst noch rotieren, um so Drehimpuls aus der Akkretionsscheibe abzuführen.

Durch Beobachtungen am 1.000 Lichtjahre entfernten Objekt HH (Herbig-Haro) 211 mittels des SMA-Radioteleskops (Sub Millimeter Array) auf Hawaii konnten neue Erkenntnisse gewonnen werden. HH 211 besteht aus einem nur 20.000 Jahre alten Protostern, umgeben von einer Akkretionsscheibe aus Materie. Orthogonal zu dieser Scheibe bewegt sich Materie in zwei Strömen vom Stern fort. Messungen an diesen beiden Strömen ergaben jetzt, dass deren Materie sich einerseits mit bis zu 322.000 km/h vom Stern entfernt, gleichzeitig aber auch mit bis zu 4.800 km/h rotiert.

Die Untersuchung von Materieströmen auf Rotation ist mit den angewandten Methoden schwierig. Die Ströme selbst müssen sehr eng und außerdem nahe genug sein, um eine hohe Auflösung zu erhalten. In unserer Nachbarschaft ist deren Anzahl begrenzt. Durch neue Instrumente und Observatorien erhofft man sich bald noch bessere Untersuchungsmöglichkeiten der Sternentstehung.

Links

• Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
• SMA bei Wikipedia
• Sternentstehung bei Wikipedia

Der Beitrag Sternentstehung – Erkenntnisse über Materieströme erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von jangrossmann, bearbeitet von Star-Light. Quelle: ESA.

Diese Woche wurde das Projekt STAR TIGER offiziel von Lord Sainsbury, dem britischen Minister für Wissenschaft und neue Technologie, ins Leben gerufen. Mit diesem Projekt wird sich ein Team von 11 Wissenschaftlern und Spezialisten aus 7 verschiedenen Ländern Europas befassen. In einer Zeit von 4 bis 6 Monaten soll dieses Team im Rutherford Appleton Laboratory , ohne durch administrative Ablenkung beeinflusst zu werden, mit Hilfe aller Forschungsergebnisse der vergangenen Zeit und mit Zugriff auf alle Spitzenklasse-Labore arbeiten. Als Ziel gesetzt ist dabei die Entwicklung einer Kamera für den Submillimeter-Bereich.

Die ESA unterstützt dieses Vorhaben mit großen Geldbeträgen. „Heute gibt die ESA etwa 250 Millionen Euro für ihre Forschungs-Programme aus, was ungefähr 8% des gesamten Budgets beträgt, welches der ESA zur Verfügung steht“, so Niels Jensen, Leiter des für Forschungs Programme zuständige Organ der ESA. Da so gut wie jedes Objekt Submillimeter Strahlung aussendet, wäre diese Kamera ein großer Fortschritt für viele Bereiche der heutigen Technik. So wäre diese Kamera zum Beispiel in der Medizin einsetzbar, aber natürlich auch in der Raumfahrt. „Die Entwicklung dieses Prototyps ist für die Zukunft der innovativen Forschung enorm wichtig“, betont Wissenschafts-Minister Lord Sainsbury.

Der Beitrag Projekt STAR TIGER gestartet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.