Das SPHEREx-Weltraumteleskop der NASA, das den Himmel kartieren soll, befindet sich in der Endphase der Vorbereitung. Es wird im April 2025 gestartet, um den Ursprung von Wasser und den für das Leben notwendigen Elementen, die Bildung von Galaxien und die frühe Expansion des Universums zu untersuchen. Die SPHEREx-Daten werden im Infrarotbereich von einem globalen Team analysiert und veröffentlicht. Bildnachweis: California Institute of Technology
Die Hauptelemente kommen zusammen NASADie SPHEREx-Mission ist ein Weltraumteleskop, das eine beispiellose Karte des Universums erstellen wird.
Das SPHEREx-Weltraumteleskop der NASA sieht schon sehr ähnlich aus, wenn es die Erdumlaufbahn erreicht und mit der Kartierung des gesamten Himmels beginnt. SPHEREx ist die Abkürzung für Specto-photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization und Ices Explorer und ähnelt einer Trompete, obwohl es etwa 8,5 Fuß (2,6 Meter) hoch und etwa 10,5 Fuß (3,2 Meter) breit ist. Die charakteristische Form des Observatoriums ist seine konische Form Photon Die Schilde werden in einem Reinraum im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien zusammengebaut.
Sarah Soska, stellvertretende Nutzlastmanagerin und Nutzlastsystemingenieurin für die SPHEREx-Mission der NASA, betrachtet einen der Photonenschilde der Raumsonde. Diese konzentrischen Kegel schützen das Teleskop vor Licht und Hitze von Sonne und Erde, die die Detektoren des Teleskops überfordern können. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech
Abschirmung und Betrieb
Drei ineinander liegende Kegel werden das SPHEREx-Teleskop umgeben, um es vor dem Licht und der Hitze von Sonne und Erde zu schützen. Die Raumsonde wird jeden Teil des Himmels abtasten, beispielsweise das Innere der Erde, um jedes Jahr zwei Karten des gesamten Himmels zu erstellen.
Hier ist ein Teil eines der Photonenschilde des SPHEREx-Teleskops der NASA zu sehen, die bei Applied Aerospace Structures in Stockton, Kalifornien, zusammengebaut werden. Bildnachweis: AACS
„SPHEREx muss sehr flexibel sein, da sich das Raumschiff beim Scannen des Himmels relativ schnell bewegen muss“, sagte er. Labor für StrahlantriebeSarah Soska, stellvertretende Nutzlastmanagerin und Nutzlastsystemingenieurin für die Mission. „Es sieht nicht so aus, aber die Panzerung ist tatsächlich sehr leicht und besteht aus Materialschichten wie ein Sandwich. Die Außenseite besteht aus Aluminiumblechen und die Innenseite ist eine wabenförmige Aluminiumstruktur, die wie Pappe aussieht – leicht, aber robust.“ .“
NASA SPHEREx wird eine einzigartige Himmelskarte erstellen. Schauen Sie sich einige der Spezialausrüstungen an, mit denen die Expedition Spitzenforschung betreibt. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech
Missionsziele
Wenn SPHEREx spätestens im April 2025 auf den Markt kommt, wird es Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, woher Wasser und andere Schlüsselkomponenten stammen, die für das Leben notwendig sind. Zu diesem Zweck wird die Mission die Menge an Wassereis in interstellaren Gas- und Staubwolken messen, in denen neue Sterne entstehen und aus denen sich schließlich Planeten bilden. Es wird die kosmische Geschichte von Galaxien untersuchen, indem es das kollektive Licht misst, das sie erzeugen. Diese Messungen werden dazu beitragen, herauszufinden, wann sich Galaxien zu bilden begannen und wie sich ihre Zusammensetzung im Laufe der Zeit veränderte. Schließlich wird SPHEREx durch die Kartierung der Position von Millionen von Galaxien relativ zueinander nach neuen Hinweisen suchen, wie die schnelle Expansion oder Inflation des Universums einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall stattfand.
Amelia Cowan, Leiterin der mechanischen Integration für die SPHEREx-Mission der NASA, wird mit einem V-förmigen Kühler gezeigt, einem Hardware-Teil, das dabei hilft, das Weltraumteleskop kühl zu halten. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech
Kühl und stabil
SPHEREx wird all dies durch die Erkennung von Infrarotlicht erreichen, einem Wellenlängenbereich, der länger ist als das sichtbare Licht, das das menschliche Auge sehen kann. Infrarotlicht wird manchmal Wärmestrahlung genannt, weil alle warmen Objekte es aussenden. Sogar ein Teleskop kann Infrarotlicht erzeugen. Da dieses Licht die Detektoren stören kann, muss das Teleskop kühl gehalten werden – unter 350 Grad unter Null F (ca. -210 Grad Celsius).
Ein äußerer Photonenschild blockiert Licht und Wärme von Sonne und Erde, und Lücken zwischen den Kegeln verhindern, dass Wärme nach innen zum Teleskop gelangt. Damit SPHEREx aber seine ultrakalte Betriebstemperatur erreicht, benötigt es auch einen sogenannten V-Groove-Strahler: drei übereinander gestapelte konische Spiegel, jeder wie ein umgedrehter Regenschirm. Sie befinden sich unterhalb der Photonenschilde und bestehen jeweils aus einer Reihe von Keilen, die Infrarotlicht so umlenken, dass es durch die Lücken zwischen den Schilden in den Weltraum reflektiert wird. Dadurch wird die durch die Streben übertragene Wärme vom Raumtemperaturbus des Raumfahrzeugs, der den Computer und die Elektronik enthält, abgeführt.
„Uns interessiert nicht nur, wie kühl SPHEREx ist, sondern auch, ob seine Temperatur gleich bleibt“, sagte Konstantin Pinanin, der Nutzlastmanager der Mission vom JPL. „Ändert sich die Temperatur, kann sich die Empfindlichkeit des Detektors ändern, was als Fehlsignal interpretiert werden könnte.“
Das Teleskop für die SPHEREx-Mission der NASA wird derzeit im Jet Propulsion Laboratory (JPL) getestet. Es ist auf seiner Basis geneigt, so dass es so viel wie möglich vom Himmel sehen kann und gleichzeitig im Schutz von drei konzentrischen Kegeln bleibt, die das Teleskop vor Licht und Hitze von Sonne und Erde schützen. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech
Auge auf den Himmel
Das Herzstück von SPHEREx ist natürlich sein Teleskop, das mithilfe von drei Spiegeln und sechs Detektoren Infrarotlicht von entfernten Quellen sammelt. Das Teleskop ist auf seiner Basis geneigt, sodass es so viel wie möglich vom Himmel sehen kann, während es im Schutz der Photonenschilde bleibt.
Das von Ball Aerospace in Boulder, Colorado, gebaute Teleskop traf im Mai am California Institute of Technology in Pasadena, Kalifornien ein, wo es mit Detektoren und einem V-Nut-Strahler ausgestattet wurde. Dann montierten die Ingenieure am JPL es auf einem Schütteltisch, der die Vibrationen simulierte, denen das Teleskop während der Reise der Rakete ins All ausgesetzt war. Anschließend kehrte es zum Caltech zurück, wo Wissenschaftler nach einem Vibrationstest bestätigten, dass seine Spiegel immer noch scharf waren.
Der SPHEREx-Rover der NASA wird diese Filter zur Durchführung von Spektroskopie verwenden, einer Technik, mit der Wissenschaftler die Zusammensetzung eines Objekts untersuchen oder seine Entfernung messen können. Jeder Filter – etwa so groß wie ein Keks – besteht aus mehreren Teilen, die alle bis auf eine bestimmte Wellenlänge des Infrarotlichts blockieren. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech
Die Infrarot-„Sicht“ von SPHEREx.
Spiegel im Inneren des SPHEREx-Teleskops sammeln Licht von entfernten Objekten, aber es sind die Detektoren, die die Infrarotwellenlängen „sehen“ können, die die Mission zu beobachten versucht.
Ein Stern wie unsere Sonne strahlt den gesamten Bereich der sichtbaren Wellenlängen aus und ist daher weiß (obwohl die Erdatmosphäre dafür sorgt, dass er erscheint). Sie erscheinen unseren Augen eher gelb). Ein Prisma kann dieses Licht in seine einzelnen Wellenlängen zerlegen – den Regenbogen. Dies nennt man Spektroskopie.
SPHEREx wird zur Durchführung der Spektroskopie Filter verwenden, die auf seinen Detektoren angebracht sind. Jeder etwa keksgroße Filter erscheint mit bloßem Auge schillernd und besteht aus mehreren Teilen, um alle bis auf eine bestimmte Wellenlänge der Infrarotstrahlung zu blockieren. Jedes von SPHEREx beobachtete Objekt wird durch jedes Stück abgebildet, sodass Wissenschaftler die spezifischen Wellenlängen des von diesem Objekt emittierten Infrarotlichts sehen können, unabhängig davon, ob es sich um einen Stern oder eine Galaxie handelt. Insgesamt kann das Teleskop mehr als 100 verschiedene Wellenlängen beobachten.
Daraus wird SPHEREx Karten des Universums erstellen, die noch nie zuvor gesehen wurden.
Die SPHEREx-Mission der NASA
SPHEREx wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der Astrophysics Division der NASA im Science Mission Directorate in Washington verwaltet. Ball Aerospace hat das Teleskop gebaut und wird den Raumfahrzeugbus liefern. Die wissenschaftliche Analyse der SPHEREx-Daten wird von einem Team von Wissenschaftlern an 10 Institutionen in den Vereinigten Staaten und Südkorea durchgeführt. Die Daten werden im IPAC am Caltech verarbeitet und archiviert. Der SPHEREx-Datensatz wird öffentlich verfügbar sein.