Fotos ferner Welten

Das Roman-Weltraumteleskop soll Exoplaneten dank komplexer Opto-Mechanik vom Max-Planck-Institut für Astronomie direkt abbilden

Auf den Punkt gebracht

• Beiträge aus Heidelberg: Ingenieurinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie haben bei der Entwicklung eines der zwei Hauptinstrumente des Roman-Weltraumteleskops, dem Coronagraph Instrument, CGI, mitgewirkt. 
• Extreme Stabilität der Optik: Der sogenannte Position Alignment Mechanism, Pam, ist ein zentraler Teil des Koronografen und stabilisiert dessen optische Komponenten. So lassen sich Planeten wie Jupiter neben ihrem Heimatstern als kleine Punkte getrennt auflösen und fotografieren. Die Anforderungen an dieses Stabilisierungssystem machen das CGI zum bisher anspruchsvollsten optischen Beobachtungsinstrument, das je im Weltall zur Forschung eingesetzt wurde.
• Auf dem Weg, eine zweite Erde abzubilden: Mit den Erfahrungen mit diesem neuen Kameradesign soll es mit Teleskopen der Zukunft gelingen, Planeten wie die Erde um ferne Sterne abzubilden.
• Start des Roman-Weltraumteleskops: Nachdem ein Team am Goddard Space Flight Center der Nasa die Instrumente in das Weltraumteleskop integriert hat, startet das Teleskop am 30. August 2026 um 13:26 an Bord einer Falcon Heavy Rakete von SpaceX.

Das Roman-Weltraumteleskop wird seit etwa einem Jahrzehnt unter der Leitung der Nasa entwickelt und startet am 30. August 2026 um 13:26 zentraleuropäischer Sommerzeit. Der Name des Teleskops geht auf Nancy Grace Roman zurück. Sie galt als die Architektin des modernen Wissenschaftsprogramms der Nasa und hat unter anderem das Hubble-Weltraumteleskop geplant. Das Ziel ist der Lagrangepunkt L2, ein besonderer Punkt in 1,5 Millionen Kilometern Entfernung zur Erde, der sich auf der Achse von Sonne und Erde auf der sonnenabgewandten Seite der Erde befindet und in dem sich die Gravitationskräfte der Himmelskörper gegenseitig aufheben, sodass Roman ohne Antrieb mit der Erde um die Sonne kreist.

Planeten um ferne Sterne fotografieren

Der Durchmesser des Hauptspiegels des Roman-Weltraumteleskops beträgt 2,4 Meter und ist eine Kopie des Spiegels des Hubble-Weltraumteleskops. Es trägt zwei wissenschaftliche Instrumente: Das Wide Field Instrument hat etwa die hundertfache Detektorfläche Hubbles und wird in nur fünf Jahren eine 50-mal größere Fläche des Himmels fotografieren als Hubble in 30 Jahren. Und es wird sich zusammen mit dem bereits operierenden Weltraumteleskop Euclid auf die Spuren der großflächig verteilten dunklen Materie begeben.

Dank der hohen Bildauflösung und Sensitivität des Wide Field Instrument wollen Forschende auf den großen Himmelsausschnitten zudem nach kühleren Planeten suchen, die bisher nicht so leicht zu finden waren wie heiße und leuchtstarke heiße Gasriesen. Sie nutzen dafür zwei Methoden: Mit der sogenannten Transitmethode wollen sie etwa 100.000 neue Planeten aufspüren, wenn diese vor dem Stern vorbeiziehen und dessen Licht minimal, aber messbar, verdunkeln. Mit einer weiteren Methode, die den sogenannten Microlensing-Effekt nutzt, sollen an die 1000 weitere Exoplaneten gefunden werden. Beide Methoden spüren ferne Welten nur auf indirekte Weise auf.

Das zweite Instrument, das sogenannte Coronagraph Instrument, CGI, dient dazu, bereits gefundene Exoplaneten direkt abzubilden und zu untersuchen. Koronografen blenden mit speziellen Masken helle Objekte wie den Heimatstern eines Systems aus, um so schwächere Himmelskörper, wie einen Planeten sichtbar zu machen, der diesen Stern eng umkreist. Diese fremden Sonnensysteme sind so weit entfernt, dass deren Planeten nur als kleine Leuchtpunkte neben ihrem vom Koronografen abgeschatteten Heimatstern auf Kamerabildern erscheinen.

Mit bisherigen Koronografen an bodengebundenen Teleskopen gelang das nur für besonders helle Gasriesen in größeren Abständen zu ihren Zentralsternen, die noch dazu so heiß sind, dass sie selbst im Infrarotlicht strahlen. Mit dem CGI aber wollen Forschende insbesondere kühlere und kleinere Exoplaneten wie Jupiter abbilden, die hauptsächlich das Licht des Heimatsterns reflektieren. Die Planeten, die Roman im Fadenkreuz hat, erscheinen von der Erde aus gesehen eine Milliarde Mal schwächer als der Mutterstern. Das entspricht in etwa dem Helligkeitsunterschied zwischen Jupiter und der Sonne. Das CGI soll Exoplaneten als Punktquellen abbilden, die etwa tausendmal schwächer leuchten als es bisher technisch möglich war.

Dafür müssen alle optischen Komponenten sehr stabil zueinander ausgerichtet sein. Das Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg hat genau für diesen Zweck opto-mechanische Komponenten gebaut, die zusammen das Precision Alignment Mechanisms, kurz Pam, bilden. Bewährt sich dieses System, könnte es in Zukunft dazu dienen, noch kleinere und leuchtschwächere Gesteinsplaneten wie die Erde um andere Sterne zu fotografieren. 

Max-Planck-Institut für Astronomie liefert zentrale Optomechanik

Das Max-Planck-Institut für Astronomie lieferte sechs Flugmodelle des Positionierungsmechanismus, also solche, die fest im Koronografen verbaut sind und in den Weltraum fliegen werden. Weitere sechs Ingenieurmodelle dienen für Tests am Boden. Die Pams ermöglichen erst die extreme Präzision der Optik, die nötig ist, um Planeten um ihre Sterne in fernen Sternsystemen zu fotografieren. Sie sorgen dafür, dass etwa die eingebauten Masken des Koronografen sowie Filter und Spiegel über acht Stunden hinweg nur maximal um einen Winkel von 40 Millibogensekunden verkippen (3,6 Millionen Millibogensekunden ergeben einen Winkel von einem Grad). Das entspricht einem Winkel, unter dem man einen Menschen in Los Angeles von Heidelberg aus betrachtet wahrnehmen würde. 

Konstrukteurinnen und Ingenieure des Heidelberger Instituts haben die Pam-Module entworfen und anschließend in den hauseigenen Werkstätten und Laboren gefertigt und getestet. Die Firma von Hoerner & Sulger aus Schwetzingen hat den Bau unterstützt. „Als die Einzelteile des Flugmodells vor mir lagen, wurde mir erst so richtig bewusst, dass ich gerade Komponenten in der Hand halte, die in den Weltraum fliegen und diesen erforschen werden“, sagt Monica Ebert. Sie überblickte am Heidelberger Max-Planck-Institut die Konstruktion und den Zusammenbau des missionskritischen Stabilisierungssystems der Instrumentenoptik. „Beim Zusammenbau war höchste Konzentration gefragt.“

Unter den zwölf Ausführungen des Pam-Systems ist auch ein sogenanntes Lebensdauermodell. Dieses wurde auf Langzeitbelastungen hin getestet und hat dabei über 27.000 Bewegungen ausgeführt. Das entspricht in etwa der doppelten Belastung eines Flugmodells. Mit solchen Tests reduzieren die Teams mögliche Fehler und Probleme des Mechanismus, der im Roman-Weltraumteleskop verbaut ist, auf ein Minimum. Denn einmal gestartet, lässt sich das Teleskop nicht mehr aufsuchen und reparieren, wie es damals bei Hubble gelang. 

„Das CGI an Bord des Weltraumteleskops Roman ist das anspruchsvollste optische Beobachtungsinstrument, das bisher im Weltall zur Forschung eingesetzt wurde“, sagt Oliver Krause, Leiter der Forschungsgruppe für Infrarot-Weltraumastronomie in der Abteilung Planetenentstehung und Exoplaneten. Sollten die ersten Tests im All gelingen, wird das CGI Astronominnen und Astronomen zur Erforschung von Exoplaneten zur Verfügung gestellt.

Weltraum-Optik, die sich in Echtzeit selbst korrigiert

Damit das CGI kleinere und kühlere Exoplaneten direkt fotografieren kann, die näher an ihren Heimatsternen ihre Bahnen ziehen als jemals zuvor beobachtet, braucht es einen höheren Helligkeitskontrast zwischen Stern und Planet als es bisher möglich war. Es galt also, die Bildartefakte und Unruhen in der Optik zu unterdrücken, die bisher die Bilder von Koronografen dominierten.

Die Ingenieurinnen und Ingenieure setzten für den Zweck auf adaptive Optik. Diese Technik ist üblicherweise in Teleskopen auf der Erde verbaut. Das im Bau befindliche Extremely Large Telescope etwa wird die Form eines seiner Spiegel an die tausendmal pro Sekunde verändern, um das Wabern des Sternenhimmels zu eliminieren, das man schon mit bloßem Auge als Funkeln der Sterne erkennt. Auch, wenn es im Weltall keine Luft gibt, die das Bild des Roman-Teleskops stört, unterliegt das optische System im Teleskop selbst Störeffekten. Diese unterdrückt ein kleiner in Echtzeit verformbarer Spiegel. Dafür braucht es viel Rechenleistung, eine Ressource, die an Bord eines Satelliten begrenzt ist. Die Lösung dieses Problems galt daher als eigene Herausforderung.

„Um in der Zukunft eine zweite Erde finden und untersuchen zu können, wird ein leistungsfähiger Koronograf benötigt, der die ganze Komplexität von CGI aufweist“, sagt Oliver Krause. „Technologisch ist das CGI ein Meilenstein auf dem Weg.“ Dafür bräuchte es aber auch ein Teleskop mit deutlich höherer Bildauflösung, das Habitable Worlds Observatory etwa, dessen erste Designs einen Spiegel von sechs bis acht Meter im Durchmesser vorsehen.

Bereit für die Daten aus dem All

Einmal gestartet, beteiligt sich das Max-Planck-Institut für Astronomie weiter an der Entwicklung der Auswertesoftware für die technischen und wissenschaftlichen Daten des Roman-Teleskops und unterstützt, die Beobachtungen zu planen und vorzubereiten. Die Messungen selbst koordiniert ein Nasa-Gremium, das sogenannte Community Participation Program, dessen Kernteam auch Oliver Krause angehört. Kurz nach dem Start nehmen Mitglieder des Gremiums, die in den USA, Japan und Europa sitzen, das Teleskop schrittweise in Betrieb. Dafür analysieren sie 24 Stunden lang ununterbrochen die Daten, die das Teleskop von seinem Weg zum Zielort zur Erde sendet.

Insgesamt wird die Inbetriebnahme 90 Tage dauern, in etwa die Zeit, die das Roman-Weltraumteleskop für seinen Flug zum Lagrangepunkt L2 braucht. Mit den ersten wissenschaftlichen Aufnahmen ist Anfang 2027 zu rechnen. Die Beobachtungsprogramme selbst werden aber teils Jahre in Anspruch nehmen, so beispielsweise die Durchmusterung der Ebene unserer Milchstraße auf der Suche nach bisher unbekannten Planeten und auch schwarzen Löchern.  

Hintergrundinformationen

Oliver Krause und sein Team haben diese Kernelemente des Instruments seit 2022 nach und nach an das Jet Propulsion Laboratory, JPL, am California Institute for Technology, CalTech, in den USA, ausgeliefert. Das JPL gehört zur Nasa und beschäftigt sich mit der technischen Entwicklung von Weltraumsonden. Am 19. Mai 2024 lieferte das JPL wiederum den fertigen Koronografen (CGI) an das Goddard Space Flight Center der Nasa. Dort haben Teams das Instrument in das Teleskop eingebaut dieses weiteren ausführlichen Funktions- und Belastungstests unterzogen.

Das Max-Planck-Institut für Astronomie, MPIA, ist direkter Partner der NASA und des JPL im CGI-Projekt. Nicht zuletzt die herausragenden Leistungen bei der Konzeption und Fertigung der Mechanismen für NIRSpec und MIRI, die zentralen Messinstrumente des Weltraumteleskops James Webb, haben NASA und JPL überzeugt. NIRSpec und MIRI liefern seit Mitte 2022 spektakuläre Bilder und Daten.

Das CGI-Team am MPIA besteht aus Oliver Krause (Projektleitung PAM), Friedrich Müller (Systemingenieur und Leitung Zusammenbau), Monica Ebert (Konstruktion und Zusammenbau), Ralf-Rainer Rohloff (Konstruktion und Komponentenauswahl), Christopher Ritz (Konstruktion und Zusammenbau), Armin Böhm (Leitung Feinmechanikwerkstatt), Tobias Stadler und Kolleg*innen der Feinmechanikwerkstatt (Fertigung mechanischer Teile), Lars Mohr und Frank Whrel (Elektronikwerkstatt – Bau PAM EGSE), Ulrich Klaas (stellv. Projektmanager und Dokumentation), Clemens Plank (Projektmanager 2021 und 2022), Christopher Lee (Projektmanager 2020), Theodoros Anagnos (Testingenieur und Testautomatisierung) und Arnim Wolf (Einkauf und Versand).