Erforschung dunkler Materie und Energie 02.07.2023, 07:11 Uhr

Weltraumteleskop Euclid soll Licht ins Dunkel des Universums bringen

Einen Blick in das Dunkle Universum wirft das Weltraumteleskop Euclid der Esa, das am Samstag, den 01. Juli von Cape Canaveral in Florida ins All startete. Es soll ganz neue Erkenntnisse zu dunkler Materie und dunkler Energie liefern.

Wie verteilt sich die Dunkle Materie im Universum? Wie vollzog sich die Ausdehnung des Universums? Euclid soll diese Fragen beantworten helfen.

Foto: Esa / Acknowledgement: Work performed by ATG under contract for ESA / / Euclid on its way to L2 / CC BY-SA 3.0 IGO CC BY-SA

Wie verteilt sich die Dunkle Materie im Universum? Wie vollzog sich die Ausdehnung des Universums? Euclid soll diese Fragen beantworten helfen.

Foto: Esa / Acknowledgement: Work performed by ATG under contract for ESA / / Euclid on its way to L2 / CC BY-SA 3.0 IGO CC BY-SA

Das nach dem antiken Mathematiker Euklid von Alexandria benannte Weltraumteleskop Euclid machte sich am 1. Juli auf den Weg ins Weltall, um einige der größten Geheimnisse unseres Universums zu lüften. Genauer gesagt, geht es um Dunkle Materie und Dunkle Energie und um die größte jemals erstellte 3D-Karte unseres Kosmos‘.

95 Prozent des Universums ist dunkel

Das Universum ist ein faszinierender Ort, der weit mehr birgt als das, was wir mit bloßem Auge sehen können. Während die meisten Menschen an unser Sonnensystem, die Milchstraße und andere Galaxien denken, enthüllt sich uns dabei nur die helle Seite des Universums. Tatsächlich macht diese nur einen kleinen Teil der Masse und Energie im gesamten Kosmos aus – weniger als fünf Prozent, um genau zu sein. Die wahre Mehrheit, über 95 Prozent, wird vom sogenannten dunklen Universum eingenommen. In diesem geheimnisvollen Reich finden wir unsichtbare Dunkle Materie und exotische Dunkle Energie.

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Die Bezeichnung allein mag bedrohlich klingen, doch das Dunkle Universum ist vor allem eines: eine Quelle großer Rätsel, die für die Kosmologie von entscheidender Bedeutung sind. Wir wissen bislang nur wenig darüber, da Dunkle Materie und Dunkle Energie nahezu unsichtbar sind und ihre Erforschung äußerst herausfordernd ist. Wir stehen vor Schlüsselfragen, die darauf warten, gelöst zu werden. „Die Kosmologie ist in einer Situation, die als Blamage bezeichnet werden könnte“, sagt Giuseppe Racca von der Europäischen Raumfahrtbehörde Esa.

Das möchte die Esa nun ändern. Um ein besseres Verständnis des Universums zu erlangen, wurde die Mission „Euclid“ ins Leben gerufen. Am 01. Juli startete die Mission mit einer Falcon 9-Rakete des US-amerikanischen Unternehmens SpaceX vom Weltraumbahnhof Cape Canaveral in Florida.

Grundsätzliches zum Weltraumteleskop

„Euclid“ ist eine Sonde, die ihre wissenschaftliche Arbeit am Sonne-Erde-Lagrange-Punkt 2, der etwa 1,5 Millionen Kilometer entfernt liegt, aufnehmen wird. Die Reise zu diesem Punkt wird etwa einen Monat dauern, und die gesamte Mission ist auf sechs Jahre ausgelegt, mit der Möglichkeit einer Verlängerung. Die Kosten für dieses ambitionierte Unterfangen belaufen sich auf rund 1,4 Milliarden Euro.

Das Herzstück der Sonde ist ein Teleskop, das mit seinen Abmessungen von rund zwei Tonnen Gewicht, 4,7 Metern Länge und 3,7 Metern Breite sensibel genug ist, um Licht zu erfassen, das zehn Milliarden Jahre benötigt hat, um uns zu erreichen. Eine der Hauptaufgaben von „Euclid“ besteht darin, eine 3D-Karte des Universums zu erstellen, wobei die Zeit als dritte Dimension dient. Dafür wird die Sonde Milliarden von Galaxien jenseits unserer Milchstraße über mehr als ein Drittel des Himmels beobachten.

Der Blick von „Euclid“ in den unendlichen Kosmos eröffnet uns gleichzeitig einen Blick in eine weit zurückliegende Vergangenheit. Je weiter ein Stern von uns entfernt ist, desto länger hat es gedauert, bis sein Licht uns erreicht hat. Dies ermöglicht es „Euclid“, eine erstaunliche „kosmische Geschichte“ von zehn Milliarden Jahren zu beobachten, indem sie uns ein großes Archiv einzigartiger Daten zur Verfügung stellt. In der Tat wird die Datenmenge dieser Mission in ihrem Umfang beispiellos sein und wichtige Einblicke in die Entstehung und Entwicklung des Universums liefern.

Einige technische Daten zu Euclid

Das Euclid-Raumfahrzeug besteht aus zwei Hauptbaugruppen, die jeweils spezifische Funktionen für die Mission erfüllen. Im Folgenden werden die wichtigsten Komponenten und deren Aufgaben in beiden Modulen näher erläutert.

Nutzlastmodul (PLM): Beherbergt die Instrumente

Das Nutzlastmodul ist der Teil des Raumfahrzeugs, der das Teleskop, die Fokalebenen-Komponenten der Instrumente und einen Teil der Datenverarbeitungselektronik beherbergt. Die Entwicklung des PLM liegt in der Verantwortung von Airbus Defence and Space. Die wesentlichen Bestandteile des PLM sind:

  • Teleskop: Das Euclid-Teleskop ist ein 1,2-Meter-Kaltlichtspiegel-Teleskop mit drei Spiegeln und einem beeindruckenden Gesichtsfeld von 1,25 × 0,727 Grad2. Es dient hauptsächlich der Aufnahme hochwertiger Bilder für präzise Messungen der Scherung von Galaxien.
  • Instrumente:
    • VIS-Instrument (Visual Imaging Channel): Das VIS-Instrument, das vom Euclid-Konsortium an Airbus Defence and Space geliefert wird, macht qualitativ hochwertige Bilder, die für die Messung der Scherung von Galaxien mit schwacher Linse verwendet werden.
    • NISP-Instrument (Near-Infrared Spectro-Photometer): Auch vom Euclid-Konsortium geliefert und von Airbus Defence and Space entwickelt, ermöglicht das NISP-Instrument abbildende Photometrie im nahen Infrarot für photometrische Rotverschiebungen. Zusätzlich führt es spaltlose Spektroskopie durch, um spektroskopische Rotverschiebungen zu erhalten.
  • Detektoren: Die Detektoren, die von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) geliefert werden, spielen eine entscheidende Rolle bei der Erfassung und Analyse der gesammelten Daten.

Servicemodul (SM): Das Herzstück des Euclid-Raumfahrzeugs

Das Servicemodul beherbergt die meisten Subsysteme, die für den Betrieb der Nutzlast erforderlich sind. Es stellt die Telemetrie, Energieverteilung, thermische Steuerung, Lageregelung und Bahnkontrolle (AOCS) bereit. Zusätzlich übernimmt das SM die Kommunikation und Datenverarbeitung. Hier sind die wichtigsten Komponenten des Servicemoduls:

  • Telemetrie: Das SM ermöglicht die Übertragung der Daten vom Raumfahrzeug zu den Bodenstationen.
  • Energieversorgung: Das Servicemodul verwaltet und verteilt außerdem die Energie innerhalb des Raumfahrzeugs.
  • Thermische Steuerung: Eine präzise Temperaturregelung im SM gewährleistet die Stabilität des Teleskopaufbaus und schützt vor optischen Fehlausrichtungen.
  • Lageregelung und Bahnkontrolle (AOCS): Das AOCS-System im Servicemodul sorgt für eine äußerst stabile Ausrichtung des Raumfahrzeugs mit einer Streuung von weniger als 35 Millibogensekunden pro visueller Aufnahme. Dies ist von entscheidender Bedeutung für hochpräzise Bildgebung.
  • Kommunikation: Das Servicemodul stellt die X- und K-Band-Kommunikation für Euclid bereit. Während der täglichen Telekommando- und Kommunikationsperiode von 4 Stunden erreicht die K-Band-Wissenschaftsdatenrate beeindruckende ~55 Mbit/s. Zusätzlich verfügt Euclid über einen Massenspeicher von mindestens 2,6 Tbit, um die großen Datenmengen, die während der Beobachtungen anfallen, zu speichern.

Blick in das Dunkle Universum

Die Welt, wie wir sie kennen, besteht aus einer Vielzahl von Elementen – Menschen, Tiere, Pflanzen und sogar Steine. Alles, was wir anfassen, fühlen und riechen können, besteht aus dem, was wir als „normale Materie“ bezeichnen. Sogar die entfernten Objekte im Weltraum, wie Sterne, Planeten, Monde und Asteroiden, bestehen aus dieser normalen Materie. Aber woraus besteht diese normale Materie eigentlich?

Die Antwort liegt in den kleinsten Bausteinen der Materie, den sogenannten Elementarteilchen. Zu diesen gehören Quarks und Elektronen, die sich zu Atomen zusammenschließen. Atome wiederum bilden die Grundbausteine der normalen Materie, aus der alles um uns herum besteht. Die Schwerkraft ist die Kraft, die zwischen den Teilen der normalen Materie wirkt und sie gegenseitig anzieht. Das erklärt, warum ein Apfel zum Boden fällt, die Erde sich um die Sonne dreht und die Sonne wiederum das Zentrum unserer Milchstraße umkreist. Doch wenn wir zum Dunklen Universum kommen, wird alles etwas komplexer.

Was bedeutet dunkle Materie?

Im weiten Universum erstreckt sich die Materie in einem beeindruckenden Netzwerk, das als „kosmisches Netz“ bezeichnet wird. Dieses Netzwerk besteht aus Galaxienhaufen, die miteinander verbunden sind und sich durch den Raum ziehen. Dazwischen befinden sich riesige leere Regionen mit Durchmessern von Hunderten Millionen Lichtjahren. Doch was hält dieses gigantische Netzwerk zusammen?

Im Universum, erklärt der französische Astrophysiker David Elbaz, gibt es mehr Schwerkraft als auf Grundlage der sichtbaren Teile angenommen würde. „Die Sonne dreht sich mit einer so hohen Geschwindigkeit um das Zentrum der Milchstraße, dass sie aus der Galaxie ausbrechen sollte. Und wenn sie nicht ausbricht, heißt das, dass sie von einer anderen Masse, die wir nicht sehen, angezogen wird.“ Das sei die dunkle Materie.

Was bedeutet dunkle Energie?

Ebenso rätselhaft wie die Dunkle Materie ist die Dunkle Energie. Bereits in den 1990er Jahren wurden Messungen durchgeführt, die zeigten, dass sich die Ausdehnung des Universums beschleunigt – eine überraschende Entdeckung. Zuvor war man davon ausgegangen, dass die Ausdehnung des Universums seit dem Urknall allmählich abnimmt, da die Schwerkraft der Materie im Kosmos diesen Prozess verlangsamt.

Die Tatsache, dass sich die Ausdehnung des Universums stattdessen beschleunigt, konnte mit den bekannten physikalischen Gesetzen nicht erklärt werden. In Anlehnung an die Dunkle Materie wurde alles, was für diese Beschleunigung verantwortlich ist, als Dunkle Energie bezeichnet. Es wird angenommen, dass die Dunkle Energie in riesigen Mengen im Universum vorhanden ist. Dennoch wissen wir bisher nur sehr wenig darüber. Es ist beispielsweise unbekannt, ob sich die Dunkle Energie im Laufe der Zeit verändert oder konstant bleibt. Das ist eine der Fragen, die mit „Euclid“ beantwortet werden sollen. Erste Erkenntnisse wird es laut Auskunft der Esa aber frühestens eineinhalb Jahre nach Start der Sonde geben.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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