Weltraumteleskop Roman mit Technologie aus Heidelberg in den Startlöchern

Neben der Erforschung der Geschichte des Weltalls wird das NASA-Weltraumteleskop eine neue Technik zur Untersuchung von Exoplaneten testen.

Auf den Punkt gebracht

• Weltraumteleskop Roman, Start 2026: Das NASA-Weltraumteleskop Nancy Grace Roman startet voraussichtlich am 30. August 2026. Eine der Hauptaufgaben ist die Erforschung von dunkler Materie und dunkler Energie.
• MPIA Heidelberg, Schlüsselrolle: Das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg ist als einziger direkter deutscher Partner maßgeblich an der Entwicklung des Coronagraph Instruments (CGI) beteiligt, einem neuartigen Instrument zur Untersuchung von Exoplaneten.
• Innovatives CGI-Instrument: Das CGI blendet das helle Sternlicht aus, um das schwache Licht naher Exoplaneten sichtbar zu machen, und kombiniert Koronografie mit adaptiver Optik für präzise Beobachtungen im Weltraum.

Voraussichtlich am 30. August 2026 wird um 13:26 Uhr MESZ das NASA-Weltraumteleskop „Nancy Grace Roman“ (kurz: Roman) nach einer Bauzeit von rund 10 Jahren vom Kennedy Space Center in den USA mit einer Falcon Heavy-Rakete von SpaceX ins All aufbrechen. Eine Hauptaufgabe des Teleskops während seines mindestens fünf Jahre dauernden Betriebs ist die Erforschung der Geschichte des Weltalls sowie der Beiträge dunkler Materie und dunkler Energie zur Expansion und zur Entstehung der großräumigen Struktur des Kosmos. Dabei ergänzen sich die Messungen mit denen des Weltraumteleskops Euclid der Europäischen Weltraumagentur ESA, das seit 2023 ähnliche Ziele verfolgt.

MPIA in Heidelberg liefert wichtige Beiträge

Zusätzlich wird Roman viele neue Exoplaneten entdecken, wobei unter anderem das Messinstrument CGI (Coronagraph Instrument = Kororongrafeninstrument) zum Einsatz kommt, an dessen Entwicklung und Bau das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg als einziger direkter deutscher Partner der NASA maßgeblich beteiligt ist. Ingenieur*innen und Wissenschaftler*innen des MPIA haben unter der Leitung von Oliver Krause zentrale optomechanische Elemente für das CGI, die Precision Alignment Mechanisms (PAM), geplant, entwickelt, gefertigt und getestet. Die Firma von Hoerner & Sulger in Schwetzingen hat den Bau unterstützt.

„Das CGI an Bord des Weltraumteleskops Roman ist das anspruchsvollste optische Beobachtungsinstrument, das bislang im Weltall zur Forschung eingesetzt wurde“, sagt Oliver Krause, der die Forschungsgruppe Infrarot-Weltraumastronomie am MPIA leitet.

Weiterhin beteiligt sich das MPIA an der Entwicklung der Auswertesoftware für die technischen und wissenschaftlichen Daten sowie an der Vorbereitung der Beobachtungen. Die Messungen werden durch ein NASA-Gremium, das Community Participation Program (CPP, etwa: Gemeinschaftliches Beteiligungsprogramm), koordiniert, dessen Kernteam Oliver Krause als lokaler Projektleiter angehört. Von Seiten des MPIA verantwortet Wolfgang Brandner im CPP die Beobachtungen zum Nachweis von Gasplaneten im sichtbaren Licht und Gaël Chauvin wirkt bei den Beobachtungsvorbereitungen mit.

Kurz nach dem Start werden Mitglieder des CPP während der Inbetriebnahme des Teleskops 24 Stunden lang ununterbrochen an der Datenauswertung arbeiten. „Durch die weltweite Verteilung des CPP mit Mitgliedern in den USA, Japan und Europa können unsere Datenanalysten ihre Aufgaben jedoch während der normalen Arbeitszeit erledigen“, sagt Wolfgang Brandner. Im Regelbetrieb werden alle Daten unmittelbar nach der Verarbeitung im Roman Science Support Center der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt.

Neues Kameradesign für den wissenschaftlichen Durchbruch

Mit dem CGI wird ein innovatives Instrumentendesign getestet, das die direkte Abbildung und die Spektroskopie von Exoplaneten auf engen Umlaufbahnen um ferne Sterne ermöglicht. Seine optischen Elemente – Masken, verformbare Spiegel und Sensoren – werden das störende Sternlicht ausblenden, sodass das schwache, von den Planeten reflektierte Licht für die Forschung sichtbar wird.

Ziel des CGI ist es, Planeten und Staubscheiben um nahe Sterne im sichtbaren Licht aufzunehmen. Dadurch lassen sich Gasplaneten untersuchen, die älter und kälter sind und ihren Stern auf engeren Bahnen umkreisen als die warmen, jungen Riesenplaneten, die bisher durch direkte Abbildung entdeckt wurden.

Dafür kombiniert das CGI erstmals zwei gängige Beobachtungstechniken für den Einsatz im All: die Koronografie und die adaptive Optik. Koronografen werden verwendet, um mithilfe spezieller Masken helle Objekte auszublenden und so schwächere Himmelskörper in ihrer Nähe sichtbar zu machen. Allerdings führen die eingesetzten Masken rund um die abgeblendeten Sterne gewöhnlich zu starken Bildartefakten. Deswegen finden Astronominnen und Astronomen mit dieser Methode fast ausschließlich Riesenplaneten aus Gas, ähnlich dem Jupiter, die in relativ großer Entfernung vom Zentralstern ihre Bahnen ziehen.

Für kleinere Planeten mit engeren Umlaufbahnen müssen die Störeffekte verringert werden. Aus diesem Grund verfügt das CGI zusätzlich über eine adaptive Optik, die einen höheren Helligkeitskontrast zwischen Stern und Planeten ermöglicht. Diese Technik finden wir üblicherweise in Teleskopen am Erdboden. Dort hilft sie, Störungen in der Abbildung durch Luftunruhen in der Erdatmosphäre zu eliminieren. Für Weltraumkameras stellt die benötigte Rechenleistung allerdings eine neue Herausforderung dar.

Technik mit höchster Präzision

Das CGI ist so konstruiert, dass es einen Planeten nachweisen kann, dessen naher Mutterstern eine Milliarde Mal so hell ist, was in etwa dem Unterschied zwischen Jupiter und der Sonne entspricht. Gegenüber den heutigen Fähigkeiten entspricht das einer bis zu tausendfachen Verbesserung. Ein eingebauter Spektrograf ermöglicht sodann, die Zusammensetzung der Atmosphäre dieser Planeten zu erforschen.

Damit das gelingt, müssen die vom MPIA gefertigten PAMs eine außerordentlich hohe Genauigkeit und Stabilität bei der Positionierung der optischen Elemente wie Filter, Koronografen und Spiegel während mehrerer Stunden gewährleisten. Im Betrieb dürfen die PAMs über acht Stunden hinweg maximal um einen Winkel von 40 Millibogensekunden verkippen (3,6 Millionen Millibogensekunden entsprechen einem Winkelgrad). Das entspricht einem Winkel, den man erhält, wenn man von Heidelberg aus die Größe eines Menschen in Los Angeles wahrnehmen könnte.

Bei einem erfolgreichen Abschluss der CGI-Mission könnte die verwendete Technologie für zukünftige Weltraumteleskope, etwa das Habitable Worlds Observatory, weiter optimiert werden. Die direkte Abbildung einer zweiten Erde wäre dann in greifbarer Nähe.

Hintergrundinformationen

Das Weltraumteleskop Nancy Grace Roman (ehemals WFIRST: Wide-Field Infrared Survey Telescope) wurde unter der Leitung der NASA entwickelt. Das Teleskop ist nach der Astronomin Nancy Grace Roman benannt, die jahrzehntelang astronomische Forschungsprogramme der NASA leitete. Unter anderem war sie für die wissenschaftliche Planung des Weltraumteleskops Hubble verantwortlich. Der Durchmesser des Hauptspiegels beträgt 2,4 Meter und ist ähnlich dem des Hubble-Weltraumteleskops. Für eines der beiden wissenschaftlichen Instrumente, das Coronagraph Instrument (CGI), baute das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg zentrale optomechanische Komponenten.

MN