NASA-Teleskop Nancy Grace Roman soll rund 100.000 Exoplaneten aufspüren

Das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA soll die Erforschung ferner Planetensysteme deutlich voranbringen. Das Weltraumobservatorium kombiniert eine leistungsfähige Weitwinkelkamera mit einem neuartigen aktiven Koronografen, der störendes Sternenlicht gezielt unterdrücken kann. Forschende hoffen, dadurch bislang unsichtbare Exoplaneten aufzuspüren und Technologien für die spätere Suche nach erdähnlichen Welten zu erproben.

Nancy Grace Roman Telescope soll neue Einblicke ins Universum liefern

Das rund 10,5 Tonnen schwere Weltraumteleskop soll zum Lagrange-Punkt L2 gebracht werden. Von dieser Position aus wollen Wissenschaftler nicht nur ferne Planetensysteme untersuchen, sondern auch neue Erkenntnisse über Dunkle Materie und Dunkle Energie gewinnen. Zudem könnte das Observatorium zur Erforschung von Asteroiden beitragen.

Benannt wurde das Teleskop nach Nancy Grace Roman, der ersten Leiterin der Astronomieabteilung der NASA.

Eine der wichtigsten Komponenten ist eine Weitwinkelkamera mit rund 300 Megapixeln. Sie soll bei vergleichbarer Auflösung einen etwa 100-mal größeren Himmelsbereich erfassen können als lang belichtete Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops.

Rund 100.000 neue Exoplaneten könnten entdeckt werden

Wissenschaftler erwarten, dass Roman Hinweise auf rund 100.000 bislang unbekannte Exoplaneten liefern könnte. Ein Teil dieser fernen Welten lässt sich durch Veränderungen im Licht dahinterliegender oder umgebender Sterne nachweisen.

Javier Viaña von der Harvard University, dessen zwei Projekte für das erste Beobachtungsjahr ausgewählt wurden, vergleicht den wissenschaftlichen Sprung mit dem Übergang von der Untersuchung einer kleinen Gruppe von Menschen zu einer weltweiten Volkszählung.

Eine entscheidende Rolle spielt dabei der Koronograf. Das Instrument soll das intensive Licht eines Sterns unterdrücken, damit kleinere und deutlich lichtschwächere Planeten in seiner Umgebung sichtbar werden.

„Es gibt uns die Möglichkeit, Planeten zu sehen, die wir bisher physisch nicht nachweisen konnten“, sagt Brandon Creager, leitender technischer Ingenieur für das Instrument am Jet Propulsion Laboratory der NASA.

Creager hofft, dass das Projekt „als entscheidender Meilenstein bei der Suche nach einer Erde 2.0“ in Erinnerung bleiben wird.

Aktiver Koronograf soll Sternenlicht gezielt unterdrücken

Koronografen werden bereits bei Weltraumteleskopen wie Hubble und James Webb eingesetzt. Bisherige Systeme arbeiten jedoch mit weitgehend statischen Komponenten, die das direkte Licht eines Sterns abschirmen.

Dabei kann weiterhin Streulicht entstehen. Schon winzige Unregelmäßigkeiten in Spiegeln oder Beschichtungen reichen aus, um Sternenlicht in Bereiche zu lenken, in denen Astronomen nach Planeten suchen. Dadurch können schwache Exoplaneten überstrahlt oder falsche Signale erzeugt werden.

Roman soll dieses Problem mit einer aktiven Wellenfrontkontrolle reduzieren. Vor einer Beobachtung wird das störende Licht gemessen und anschließend gezielt unterdrückt.

Verformbare Spiegel arbeiten extrem präzise

Der Koronograf verfügt über zwei verformbare Spiegel. Unter ihren dünnen und flexiblen Oberflächen befinden sich zahlreiche Aktuatoren, die einzelne Spiegelbereiche minimal verändern können.

Jeder Bereich lässt sich um bis zu 0,5 Mikrometer verformen. Die Steuerung erfolgt in Schritten von etwa zehn Pikometern. Laut Ilya Poberezhskiy, Systemingenieur am JPL, entspricht das ungefähr einem Zehntel des Durchmessers eines Wasserstoffatoms.

Auf diese Weise entsteht eine aktive Wellenfront, die unerwünschte Lichtwellen ausgleichen soll. Das Prinzip ähnelt der aktiven Geräuschunterdrückung bei Kopfhörern – allerdings wird Licht statt Schall reduziert.

Dadurch entsteht um den beobachteten Stern eine dunkle, ringförmige Region, in der nach Exoplaneten gesucht werden kann. Gegenüber bisherigen Weltraumkoronografen soll das System die Empfindlichkeit für Planeten um einen Faktor von bis zu 1.000 verbessern.

„Siliziumgras“ soll unerwünschte Photonen absorbieren

Zusätzlich nutzt Roman spezielle Masken im Lichtweg. Dazu gehört sogenanntes „Siliziumgras“, das aus mikroskopisch kleinen Spitzen besteht.

Einfallendes Licht wird zwischen diesen Strukturen immer tiefer abgelenkt und schließlich absorbiert, anstatt zurück zum Detektor reflektiert zu werden.

„Sobald das Licht hineingeht, kommt es nicht mehr heraus“, erklärt Poberezhskiy.

Die Kombination aus Masken und verformbaren Spiegeln soll möglichst viel Licht eines Planeten zum Detektor führen und gleichzeitig die enorme Helligkeit seines Muttersterns reduzieren.

Roman könnte Jupiter-ähnliche Planeten direkt beobachten

Fast alle bislang direkt fotografierten Exoplaneten unterscheiden sich deutlich von den Planeten unseres Sonnensystems. Häufig handelt es sich um besonders große, junge und heiße Gasriesen, die weit von ihrem Stern entfernt kreisen.

Ihre Größe, Wärme und große Entfernung zum Mutterstern machen sie vergleichsweise leicht im Infrarotbereich sichtbar.

Roman könnte dagegen einen echten Jupiter-Analogen direkt abbilden: einen ausgereiften Gasriesen mit einer ähnlichen Masse wie Jupiter, der einen sonnenähnlichen Stern in größerer Entfernung umkreist.

Bisher lässt sich die Existenz solcher Planeten häufig nur indirekt über ihren gravitativen Einfluss auf den jeweiligen Stern feststellen. Roman soll dagegen das vom Planeten selbst reflektierte Sternenlicht erfassen.

„Wir betrachten weder den Stern noch die Auswirkungen des Planeten auf den Stern“, sagt Meredith MacGregor, Astronomieprofessorin an der Johns Hopkins University. „Wir beobachten tatsächlich den Planeten selbst, und das ist unglaublich leistungsfähig.“

Detailreiche Aufnahmen eines fernen Gasriesen sind allerdings nicht zu erwarten. Ein solcher Planet dürfte auf den Bildern lediglich als Lichtpunkt oder kleine Ansammlung von Pixeln erscheinen.

Atmosphäre ferner Planeten könnte untersucht werden

Auch wenige Pixel können wissenschaftlich wertvoll sein. Durch die Analyse verschiedener Wellenlängen des vom Planeten reflektierten Lichts können Astronomen Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung seiner Atmosphäre ziehen.

„Man nimmt etwas, das nur ein Lichtpunkt ist, und verwandelt es in eine echte Welt“, sagt MacGregor. Erkenntnisse über die Atmosphäre könnten wiederum Informationen über die Eigenschaften eines Planeten und mögliche Bedingungen für Leben liefern.

MacGregor rechnet mit einer enormen Datenmenge. Ihrer Einschätzung nach könnten Wissenschaftler noch jahrzehntelang mit den Beobachtungen des Roman-Teleskops arbeiten.

Technologie für die Suche nach einer zweiten Erde

Während der ersten Beobachtungen wollen Wissenschaftler und Ingenieure prüfen, wie präzise Sterne im Zentrum der Koronograf-Masken gehalten werden können. Zudem müssen die Spiegel exakt ausgerichtet und der dunkle Beobachtungsbereich stabilisiert werden, während sich das Raumfahrzeug bewegt und seine Temperatur verändert.

Die Ergebnisse sollen auch in die Entwicklung des geplanten Habitable Worlds Observatory der NASA einfließen. Dieses künftige Observatorium soll eines Tages das extrem schwache Licht eines erdähnlichen Planeten von einem sonnenähnlichen Stern unterscheiden können, der mehr als zehn Milliarden Mal heller ist.

Creager, der seit 2018 an dem Instrument arbeitet, sieht bereits die direkte Aufnahme eines fernen Planeten als außergewöhnlichen Meilenstein: „Nicht viele Menschen können sagen: ‚Ich habe etwas gebaut, und es macht ein Bild von einem Planeten, der einen Stern in 50 oder 100 Lichtjahren Entfernung umkreist.‘“

Das Nancy Grace Roman Space Telescope könnte damit sowohl Tausende neue Planetensysteme erschließen als auch entscheidende Technologien für kommende Weltraummissionen erproben. Langfristig könnte das Observatorium den Weg dafür ebnen, kleinere und erdähnlichere Welten direkt zu untersuchen.

Jonas Fischer

Jonas Fischer ist Autor bei bna-germany.com und berichtet über aktuelle Entwicklungen aus Deutschland und der Welt. Sein Fokus liegt auf klar verständlicher Berichterstattung zu Politik, Wirtschaft, Technologie, Sport, Unterhaltung und Gesellschaft. Er legt Wert auf gut recherchierte, leicht zugängliche Informationen, die für Leserinnen und Leser im Alltag relevant sind. Ziel seiner Beiträge ist es, komplexe Themen verständlich aufzubereiten und aktuelle Ereignisse sachlich und nachvollziehbar einzuordnen. Er schreibt objektiv und unabhängig.