Was kommt nach Webb? Das Planetenjagdteleskop der nächsten Generation der NASA

Wenn es darum geht, riesige und komplexe Weltraumteleskope zu bauen, müssen Behörden wie die NASA weit im Voraus planen. Auch wenn das James-Webb-Weltraumteleskop erst vor Kurzem gestartet ist, denken Astronomen bereits darüber nach, was nach Webb kommen wird – und sie haben ehrgeizige Pläne.

Der große Plan für die nächsten Jahrzehnte der astronomischen Forschung besteht darin, bewohnbare Planeten zu finden und vielleicht sogar nach Lebenszeichen außerhalb der Erde zu suchen. Das ist das hohe Ziel des Habitable Worlds Observatory, eines derzeit in der Planungsphase befindlichen Weltraumteleskops, dessen Ziel die Entdeckung von 25 erdähnlichen Planeten um sonnenähnliche Sterne ist.

Wir haben mit zwei der Wissenschaftler gesprochen, die an Plänen für dieses Weltraumteleskop der nächsten Generation arbeiten, um mehr zu erfahren.

Die Kraft der direkten Bildgebung

Eine der großen Herausforderungen bei der Suche nach bewohnbaren Planeten außerhalb unseres Sonnensystems besteht darin, dass wir diese weit entfernten Planeten selten direkt sehen können, weil Planeten im Vergleich zu Sternen so klein und dunkel sind. Um einen Exoplaneten zu identifizieren, schließen Astronomen im Allgemeinen auf seine Existenz aufgrund seiner Auswirkungen auf seinen Wirtsstern. Derzeit suchen Instrumente wie die Weltraumteleskope Hubble oder James Webb am häufigsten nach Einbrüchen in der Helligkeit eines Sterns, wenn ein Planet vor ihm vorbeizieht, was als Transit bezeichnet wird, oder sie suchen nach einem Wackeln des Sterns, das durch die Schwerkraft des Planeten verursacht wird. wird als Radialgeschwindigkeitsmethode bezeichnet.

Diese Methoden geben uns Hinweise, aber um Exoplaneten wirklich im Detail zu verstehen, müssen wir sie direkt abbilden können. Aktuelle Teleskope sind dazu kaum in der Lage, da dafür ein so hohes Maß an Präzision erforderlich ist. Wissenschaftler planen jedoch bereits eine nächste Generation von Weltraumteleskopen, die Bilder von Exoplaneten aufnehmen können.

Das nächste große Weltraumteleskop, das gestartet wird, ist das Nancy Grace Roman Space Telescope, dessen Start für 2027 geplant ist. Es wird eine Untersuchung des Himmels durchführen, um abzuschätzen, wie viele bewohnbare Exoplaneten es dort draußen gibt. Danach kommt das Habitable World Observatory, ein geplantes Weltraumteleskop, das erdähnliche Exoplaneten um sonnenähnliche Sterne direkt abbilden wird und das um 2040 starten soll. Dies wird die bisher beste Chance sein, bewohnbare erdähnliche Planeten zu entdecken Welten, in denen wir nach Beweisen für Leben außerhalb der Erde suchen könnten.

Die richtige Wellenlänge wählen

Wenn Sie die Nachrichten über das James Webb-Weltraumteleskop verfolgt haben, haben Sie wahrscheinlich gehört, dass es im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums liegt. Dies ist für sein Ziel, die frühesten Galaxien zu untersuchen, von entscheidender Bedeutung, da es Wissenschaftlern ermöglicht, Galaxien mit hoher Rotverschiebung zu sehen. Infrarot ist auch nützlich, um durch Staubwolken zu blicken und Strukturen zu erkennen, die sonst verborgen wären.

Der Plan für das Habitable Worlds Observatory sieht jedoch vor, im optischen und ultravioletten Wellenlängenbereich zu blicken. Diese Wellenlängen sind nützlich, um die Signaturen bestimmter Atome wie Wasserstoff oder Sauerstoff zu identifizieren, sodass wir unsere Instrumente auf einen Planeten richten und erfahren können, woraus seine Atmosphäre besteht.

Es gibt viele Möglichkeiten, nach welchen bestimmten Atomen oder Verbindungen wir suchen könnten, aber Sauerstoff ist derzeit die erste Wahl für einen sogenannten Biomarker oder einen Hinweis, der auf das mögliche Vorhandensein von Leben hinweist. Das Aufspüren von Sauerstoff auf einem fernen Planeten könnte ein Zeichen dafür sein, dass eine weitere Untersuchung erforderlich ist.

„Es gibt keine perfekte Biomarker-Signatur“, sagte David Sing von der Johns Hopkins University, da wir auch nach Atomen wie Methan suchen könnten und immer die Möglichkeit eines falsch positiven Ergebnisses bestehe, „aber Sauerstoff ist ein wirklich wichtiger Faktor.“

Sauerstoff gibt außerdem ein sehr starkes Signal ab, wodurch es relativ einfacher zu erkennen ist. Insbesondere Ozon – eine Variation von Sauerstoff mit drei miteinander verbundenen Atomen – weist eine sehr starke Signatur im ultravioletten Wellenlängenbereich auf. Denken Sie darüber nach, wie die Ozonschicht auf der Erde uns vor der ultravioletten Strahlung der Sonne schützt, und Sie können sehen, wie Wissenschaftler auf das Vorhandensein von Ozon auf einem fernen Planeten schließen könnten, wenn sie sehen würden, dass eine bestimmte Wellenlänge des ultravioletten Lichts blockiert wird.

So bauen Sie ein optisches/UV-Teleskop

Mit seinem Fokus auf optische und ultraviolette Wellenlängen wird das Habitable Worlds Observatory eher dem Hubble-Weltraumteleskop als dem James Webb-Weltraumteleskop ähneln. Und das bringt einige Vorteile für den Bau eines Teleskops mit sich.

Infrarotteleskope wie Webb reagieren sehr temperaturempfindlich (denn wenn es heiß wird, geben sie Infrarotstrahlung ab). Um genau zu arbeiten, muss Webb bei einigen Instrumenten auf extrem niedrige Betriebstemperaturen von nur wenigen Kelvin gekühlt werden. Dadurch wird der Bau des Teleskops komplexer und teurer, da es ein kryogenes Kühlsystem erfordert.

Für ein Teleskop wie das Habitable Worlds Observatory ist eine solche extreme Kühlung nicht erforderlich, was dazu beiträgt, die Kosten niedrig zu halten.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen Infrarot-Teleskopen wie Webb und optischen/ultravioletten Teleskopen wie dem Habitable Worlds Observatory ist der Spiegel. Der Hauptspiegel von Webb ist mit Gold beschichtet, das Infrarotlicht sehr gut reflektiert. Ein optisches/ultraviolettes Teleskop verfügt jedoch über einen mit Silber beschichteten Spiegel, der diese Wellenlängen effizienter reflektiert.

Neue Technologien für ein neues Jahrzehnt

In gewisser Weise wissen wir bereits genau, welche Arten von Instrumenten für die Suche nach bewohnbaren Welten erforderlich sind, da es sich hierbei eher um Aktualisierungen bestehender Instrumente als um völlig neue Konzepte handelt.

Beispielsweise werden die Instrumente auf Habitable Worlds in gewisser Weise denen auf James Webb oder Hubble ähneln, da sie aus Kameras und Spektrographen bestehen werden. Mit den Kameras soll nach Exoplaneten in anderen Sternensystemen gesucht werden, und sobald ein Planet identifiziert wurde, kann er mit den Spektrographen genauer untersucht werden. Spektrographen funktionieren, indem sie einfallendes Licht in verschiedene Wellenlängen aufteilen, um zu sehen, welche Wellenlängen absorbiert wurden. Dadurch erfahren Sie, woraus das Objekt besteht, das Sie betrachten – und so können Sie erkennen, ob ein Exoplanet eine Atmosphäre hat und woraus diese Atmosphäre besteht.

Diese Instrumente zu verfeinern und genauer zu machen, ist kein triviales Unterfangen. Neben der direkten Erkennung werden Weltraumteleskope der nächsten Generation auch Techniken wie die Radialgeschwindigkeit zur Identifizierung von Exoplaneten nutzen. Und genauere Spektrographen werden Techniken wie die extrem präzise Radialgeschwindigkeit ermöglichen, die genauere Messungen der Massen von Exoplaneten ermöglichen, die sonnenähnliche Sterne umkreisen.

Es sind aber auch weitere theoretische Fortschritte erforderlich. Ein wichtiger Faktor, der zum Beispiel erforderlich ist, um unser Verständnis von Exoplaneten zu verbessern, ist die Verbesserung unseres Verständnisses von Sternen. Sterne können aus allen möglichen Gründen heller oder dunkler werden, und wir müssen in der Lage sein, dies genauer zu modellieren, wenn wir bestimmen wollen, ob eine Variation durch die Anwesenheit eines Exoplaneten verursacht wird oder auf die Variation des Sterns zurückzuführen ist.

Auf der Suche nach Bewohnbarkeit

Doch selbst mit einem brandneuen Teleskop, das mit brandneuer Technologie ausgestattet ist, wird es keine einfache Sache sein, Leben außerhalb unseres Sonnensystems zu finden. Denn Bewohnbarkeit ist ein komplexes Konzept , das mehr erfordert als nur die Identifizierung eines erdähnlichen Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist.

„Ein Planet, der so aussieht, als hätte er ungefähr die richtige Helligkeit, um ein erdgroßer Planet zu sein, der eine annähernd kreisförmige Umlaufbahn in dem hat, was wir als bewohnbare Zone bezeichnen würden, zeigt Anzeichen von Wasserdampf, vielleicht etwas Sauerstoff, es gibt keinen inneren Riesenplaneten.“ „Das hat für Aufsehen gesorgt, der Stern ist nicht allzu aktiv – das ist die Art von System, die wir als Kandidaten für einen potenziell bewohnbaren Planeten zu finden hoffen“, sagte Scott Gaudi von der Ohio State University.

Aber so verlockend es auch sei, sich ein Szenario vorzustellen, in dem wir dieses Teleskop bauen, einen bewohnbaren Planeten finden und dann sofort Leben entdecken, so wird das nicht funktionieren, sagte Gaudi.

Um richtig nach bewohnbaren Exoplaneten zu suchen, „müssen wir wirklich den gesamten Kontext erfassen, was bedeutet, die anderen Planeten in den Systemen, die Trümmerscheiben und die Sterne zu untersuchen“, sagte Gaudi. „Das wird uns wirklich helfen zu verstehen, ob diese Planeten wirklich bewohnbar sind oder nicht.“

Es besteht die Versuchung, sich vorzustellen, dass „wir das Habitable Worlds Observatory bauen, Leben finden und fertig sind“, sagte Gaudi, aber „so wird es nicht funktionieren.“ Wenn wir Glück haben, finden wir ein oder zwei, vielleicht drei Systeme, die ziemlich vielversprechend aussehen. Und dann müssen wir etwas noch Größeres und Besseres bauen.“

Ein generationenübergreifendes Unterfangen

Selbst wenn es uns gelingt, das ideal aussehende System mit einer potenziell bewohnbaren erdähnlichen Welt zu finden, wäre der nächste Schritt, noch weitergehende Faktoren zu untersuchen, etwa wie viel und wie viel des Planeten von Ozeanen bedeckt ist ist Landmasse. Die Suche nach Leben wird in absehbarer Zeit keine Lösung finden, aber Wissenschaftler legen jetzt den Grundstein für das Habitable Worlds Observatory, das in 20 Jahren den nächsten Teil der Aufgabe übernehmen soll.

Das ähnelt der Art und Weise, wie die Planungen für das James-Webb-Weltraumteleskop um das Jahr 2000 begannen, und Wissenschaftler fangen heute gerade erst an, dieses Werkzeug für Entdeckungen zu nutzen.

„Vor einigen Jahrzehnten war ich noch ein junger Student. Aber ich habe die Früchte all der harten Arbeit geerntet, die die Menschen damals geleistet haben“, sagte Sing. „Und diese Generation von Wissenschaftlern fühlte sich so, weil die Menschen es mit dem Hubble-Weltraumteleskop für sie getan haben. Es gibt also dieses Erbe, in dem Sie die Früchte dessen ernten, was führende Wissenschaftler vor 20 Jahren getan haben. Und Sie möchten sicherstellen, dass dieses Erbe auch in 20 Jahren bestehen bleibt.“

Denn die Frage, ob Leben außerhalb der Erde existieren könnte, ist eine der tiefgreifendsten Fragen, mit denen die Wissenschaft heute konfrontiert ist, und sie wird nicht schnell gelöst werden können. Das Habitable Worlds Observatory ist der nächste Schritt auf dieser Reise, aber es wird nicht der Endpunkt sein.

„Dies ist ein generationen- und wahrscheinlich jahrhundertelanges Unterfangen, an dem wir arbeiten“, sagte Gaudi. „Und ich denke, wir sollten diesem Prozess optimistisch gegenüberstehen, aber wir sollten auch bescheiden sein.“