Die Suche nach fremdem Leben scheitert an Milliardstel-Millimetern
Schon zwei Pikometer können über den Nachweis erdähnlicher Exoplaneten entscheiden. Eine Studie zeigt die Grenzen künftiger Nasa-Teleskope.
Künstlerische Darstellung des geplanten Habitable Worlds Observatory. Das Teleskop soll nach erdähnlichen Planeten suchen und benötigt dafür eine bislang unerreichte optische Stabilität.
Foto: NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
Das geplante Habitable Worlds Observatory (HWO) der Nasa soll etwas schaffen, das bislang keinem Teleskop gelungen ist: erdähnliche Planeten bei anderen Sternen direkt fotografieren. Dort könnten sich Hinweise auf lebensfreundliche Bedingungen verbergen. Eine neue Studie zeigt jedoch, dass dieses Ziel nicht nur von leistungsfähigen Kameras oder ausgefeilter Bildverarbeitung abhängt. Entscheidend könnten winzige Bewegungen im Teleskop sein – kleiner als ein Milliardstel Millimeter.
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Das Problem: Der Stern überstrahlt den Planeten
Für Astronominnen und Astronomen ist die direkte Beobachtung erdähnlicher Exoplaneten eine enorme Herausforderung. Solche Welten reflektieren nur einen Bruchteil des Lichts ihres Muttersterns. Im sichtbaren Bereich sind sie etwa zehn Milliarden Mal lichtschwächer als der Stern, den sie umkreisen.
Selbst modernste Teleskope können diesen Helligkeitsunterschied nicht einfach ausgleichen. Deshalb setzen Forschende auf sogenannte Koronagraphen. Diese Instrumente blenden das Licht des Sterns weitgehend aus und machen so schwache Objekte in seiner unmittelbaren Umgebung sichtbar.
Doch auch ein Koronagraph arbeitet nicht perfekt. Ein kleiner Rest des Sternenlichts bleibt immer erhalten. Dieses Licht erzeugt störende Muster im Bild und kann den Blick auf einen Planeten verdecken. Deshalb kommen aufwendige Bildverarbeitungsverfahren zum Einsatz, die das verbliebene Sternenlicht nachträglich herausrechnen sollen. Damit das funktioniert, muss das Teleskop extrem stabil bleiben.
Kleine Spiegelbewegung, große Wirkung
Genau dieser Frage widmete sich ein Forschungsteam um Natalia Sanchez-Soria. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchten, wie empfindlich verschiedene Bildverarbeitungsverfahren auf winzige Veränderungen der Teleskopoptik reagieren.
Dafür simulierten sie ein zukünftiges Weltraumteleskop mit Koronagraphen und segmentiertem Hauptspiegel. Die Konstruktion erinnert an das James Webb Space Telescope, dessen Hauptspiegel ebenfalls aus zahlreichen einzelnen Segmenten besteht.
Im Mittelpunkt der Untersuchung standen sogenannte Wellenfrontdrifts. Darunter verstehen Fachleute minimale Veränderungen der optischen Eigenschaften eines Teleskops. Solche Abweichungen können beispielsweise durch Temperaturschwankungen, Materialspannungen oder winzige Bewegungen einzelner Spiegelsegmente entstehen.
Die Forschenden simulierten sowohl großflächige optische Verzerrungen als auch minimale Verschiebungen zwischen einzelnen Spiegelsegmenten. Anschließend analysierten sie, wie sich diese Veränderungen auf die Erkennung schwacher Exoplaneten auswirken.
Warum manche Spiegelbewegungen schlimmer sind als andere
Die Ergebnisse zeigen, dass nicht jede Art von Instabilität gleich kritisch ist. Großräumige optische Verzerrungen verschlechterten zwar die Bildqualität, ihre Auswirkungen blieben bei geringen Driftraten jedoch vergleichsweise beherrschbar.
Anders sah es bei den Spiegelsegmenten aus. Bereits kleinste Verschiebungen zwischen den einzelnen Segmenten hatten deutliche Folgen. Erdähnliche und venusähnliche Planeten verschwanden in den Simulationen schnell im Restlicht ihrer Sterne.
„Alle simulierten Bildverarbeitungsverfahren benötigten eine Stabilität der Segmentausrichtung von unter zwei Pikometern pro 10 Minuten, um nahgelegene Exoplaneten nachzuweisen. Dies deutet darauf hin, dass die Stabilität der Segmente für den Nachweis von Planeten entscheidend sein wird“, sagte Sanchez-Soria.
Zwei Pikometer entsprechen zwei Billionstel Metern beziehungsweise zwei Milliardstel Millimetern. Zum Vergleich: Ein Wasserstoffatom besitzt einen Durchmesser von etwa 100 Pikometern. Die zulässige Bewegung der Spiegel liegt damit bei nur rund einem Fünfzigstel eines Wasserstoffatoms.
Welche Bildverfahren am besten abschneiden
Das Team untersuchte drei etablierte Verfahren zur Unterdrückung des Sternenlichts:
- Referenzstern-Differentialbildgebung (RDI)
- Winkeldifferentialbildgebung (ADI)
- Kohärente Differentialbildgebung (CDI)
Alle Methoden verfolgen dasselbe Ziel: Die verbliebenen Lichtreste des Sterns möglichst präzise aus den Aufnahmen zu entfernen.
Unter den getesteten Verfahren lieferte die Winkeldifferentialbildgebung (ADI) die besten Ergebnisse. Sie reduzierte das störende Sternenlicht in den Simulationen am effektivsten.
Allerdings zeigte sich auch hier eine klare Grenze. Mit zunehmender Wellenfrontdrift nahm die Leistungsfähigkeit kontinuierlich ab. Während große Gasriesen ähnlich dem Jupiter unter vielen Bedingungen weiterhin sichtbar blieben, reagierten erdähnliche Planeten deutlich empfindlicher auf kleinste Instabilitäten.
Eine Herausforderung für Ingenieurinnen und Ingenieure
Die Studie macht deutlich, dass künftige Exoplaneten-Missionen nicht allein von besseren Koronagraphen profitieren werden. Ebenso wichtig ist die mechanische und thermische Stabilität des gesamten Observatoriums.
Aus ingenieurtechnischer Sicht sind die Anforderungen enorm. Bereits minimale Temperaturänderungen können Materialien stärker verformen als die hier erlaubten zwei Pikometer. Künftige Weltraumteleskope werden deshalb hochpräzise Regelungs- und Korrektursysteme benötigen, die kleinste Bewegungen kontinuierlich erfassen und ausgleichen.
„Das Verständnis der Grenzen dieser Techniken unter Wellenfrontdrift wird Aufschluss über die Anforderungen an die Teleskopstabilität während der frühen Architekturvergleichsstudien von HWO geben“, erklärte Sanchez-Soria.
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