26.04.2009 / Autor: Karl Urban Raumfahrt > Raumsonden

Herschel und Planck: Ein Blick hinter die Kulissen

Am 14. Mai 2009 starteten zwei Teleskope der Europäischen Weltraumagentur ESA, deren Präzision unser Verständnis des Universums grundlegend verändern werden. Das Infrarot-Observatorium Herschel kann bisher durch Staub verborgene Prozesse in jungen Galaxien und Sonnensystemen sichtbar machen. Planck wird eine hochgenaue Karte der kosmischen Hintergrundstrahlung (cosmic microwave background, CMB) erstellen.

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Bild vergrößernKünstlerische Ansicht von Herschel
(Bild: ESA)
Das nach dem Uranusentdecker Wilhelm Friedrich Herschel benannte Teleskop ist mit 3.900 kg das Schwergewicht des Starts und besitzt mit 3,5 Metern Durchmesser die größte jemals ins All gestartete Teleskopschüssel. Um leuchtschwache Infrarotobjekte präzise aufnehmen zu können, darf Herschels Arbeit nicht durch Störsignale anderer Himmelskörper oder gar von sich selbst beeinflusst werden. Die Messinstrumente, die im Ferninfrarot sowie im Submillimeter-Bereich arbeiten, werden von superfluidem Helium auf bis zu -272,85 °C oder 0,3 K heruntergekühlt. Dafür sind die drei Spektrometer in einer großen Thermosflasche – dem Cryostaten – untergebracht. Rund 2.400 Liter flüssiges Helium werden seine Missionsdauer auf rund vier Jahre begrenzen. Ist das Kühlmittel verbraucht, sind keine exakten Messungen mehr möglich. Bis dahin wird das ESA-Teleskop die Arbeit seines US-Kollegen Spitzer und in einem deutlich breiteren Frequenzspektrum fortsetzen. Das Infrarot-Teleskop der NASA startete bereits 2003 und wird sein Kühlmittel in Kürze aufgebraucht haben.

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Bild vergrößernNutzlastbucht der Ariane 5 ECA: Oben sitzt Herschel, unten Planck. In dieser Reihenfolge werden sie in einen Orbit um den L2-Punkt abgesetzt.
(Bild: ESA)
Gelingt der ESA die Abschirmung, wird Herschel Einblicke in Raumregionen erhalten, die bisher durch dichte Staubwolken verhüllt waren. Infrarotstrahlung kann diese anders als sichtbares Licht durchdringen und ermöglicht es dem Teleskop, etwa die Entwicklung von Galaxien im jungen Universum zu untersuchen. Auch zukünftige Sonnensysteme sind von dichten Staubscheiben umgeben, aus denen sich später Planeten entwickeln können. Die Details dieser Prozesse waren bisher nur schwer zu beobachten. Herschel soll zudem die Molekülchemie von Planeten, Asteroiden und von weiter entfernten Objekten analysieren.

Die Schwerlastvariante ECA der Ariane-Trägerrakete wird die gemeinsam 5.300 kg schwere Doppelnutzlast nahe dem Lagrange 2-Punkt (L2) aussetzen. Hier gleichen sich die Schwerkraft von Sonne und Erde aus und beide Körper stehen ständig an derselben Stelle. Obwohl dies für die thermische Abschirmung der beiden Teleskope von Vorteil ist, haben die Orbits um den L2-Punkt den entscheidenden Nachteil der Bahninstabilität, so dass alle drei Wochen eine Kurskorrektur notwendig wird.

ESA

Bild vergrößernKünstlerische Ansicht von Planck
(Bild: ESA)
Nachdem die Ariane-Oberstufe Herschel in einen Transferorbit abgesetzt hat, kommt wenig später Planck an die Reihe. Die Aufgabe des Observatoriums besteht in der genauen Vermessung der CMB: Als das Universum 380.000 Jahre nach dem Urknall durchsichtig wurde, hatte es eine Temperatur von rund 3.000 K. Durch seine Expansion vergrößerte sich die Wellenlänge des Strahlungshintergrunds und die Temperatur des Universums sank auf den heutigen Wert von 2,7 K. Die Hintergrundstrahlung ist von Objekten unabhängig und verteilt sich relativ gleichförmig über die gesamte Himmelskugel.

Plancks Vorgängermissionen COBE (1989 – 93) und WMAP (Start 2001) der NASA hatten erstmals Karten des CMB erstellt und damit die Urknallhypothese untermauert. Planck wird die Auflösungsfähigkeit von COBE um den Faktor 50 sowie die von WMAP um den Faktor drei übertreffen. Das Observatorium wird Temperaturen von einem Millionstel Kelvin sowie Strukturen im Bereich von fünf Bogenminuten auflösen können. Laut ESA entspricht dies der erdgebundenen Messung der Wärmeabstrahlung eines lebendigen Hasen auf der Mondoberfläche.

Während das High Frequency Instrument (HFI) im Radiowellenbereich arbeitet, wird das Low Frequency Instrument (LFI) Mikrowellenstrahlung detektieren. Beide Bereiche gehören zum kosmischen Strahlungshintergrund. Das Problem seiner exakten Vermessung sind die effektive Abschirmung und Kühlung der sensiblen Detektoren. Bereits durch seinen Aufbau ist Planck passiv gekühlt: Die Abwärme der Instrumentensektion wird durch Radiatoren ins All abgeführt, so dass sich die Temperatur bei rund 50 K halten kann. Die Instrumente werden von den beheizten Komponenten des Servicemoduls abgeschirmt, das Systeme zur Datenverarbeitung, Kommunikation und Steuerung der Instrumente enthält.

ESA / BBC

Bild vergrößernOrbits von Herschel und Planck um den Lagrange-2-Punkt
(Bild: ESA / BBC)

Zwei weitere Kryosysteme kühlen HFI und LFI weiter herunter: mit flüssigem Wasserstoff auf 20 K, während die Strecke zwischen Teleskop und Wärme messenden Bolometern des HFI mit flüssigem Helium auf 4 K gebracht wird, dem Siedepunkt von Helium. Der technologische Gral sitzt jedoch im dritten Kühlkreislauf: Damit werden Thermometer, Bolometer und Filter auf Temperaturen zwischen 1,6 und 0,1 K gebracht. Das System setzt auf die Lösung des Helium-Isotops 3He in 4He, die in superfluidem Zustand vorliegen. In diesem Zustand unter extrem niedrigen Temperaturen und hohem Druck wirken keine internen Reibungskräfte mehr und Lösungsvorgänge können auch in Schwerelosigkeit funktionieren.

Mit Planck sollen fundamentale Probleme der Kosmologie beleuchtet werden: Wie ist es um die Expansion des Universums bestellt, beschleunigt sie sich tatsächlich? Eng damit verbunden ist die Frage der Baryonendichte, also dem Anteil der atomaren Materie im gesamten Universum verglichen mit der kaum verstandenen Dunklen Materie und Dunklen Energie. Die Modelle zur Entwicklung des jungen Universums sind bisher nur ansatzweise durch Beobachtungen nachgewiesen worden, weil ausreichend genaue Beobachtungsdaten fehlten. In der sogenannten Inflationsphase machte es laut dem theoretischen Physiker Alan Guth eine extrem schnelle Ausdehnung mit, womit die heutige Flachheit des Raums erklärt werden kann. Die hohe Energiedichte hätte nach Modellrechnungen sonst einen deutlich stärker gekrümmten Raum hervorgerufen, als wir ihn heute beobachten. Sollte es jedoch Inkonsistenzen im Theoriengebäude der Kosmologen geben, könnte Planck diese aufdecken. Dazu gehören vorhergesagte topologische Defekte wie kosmische Strings. Die Existenz dieser extrem dünnen und über viele Lichtjahre ausgedehnten massereichen Bänder könnten nach dem heutigen Urknallmodell entstanden sein, wurden bisher aber nicht gefunden.

Wilhelm Friedrich Herschel und Max Planck sind die Namen großer Forscher, die das Wissen ihrer Zeit fundamental erweiterten und veränderten. Die ESA-Missionen werden dem Ruf ihrer Namensgeber durch technologische Quantensprünge gerecht und werden vielleicht schon bald unser physikalisches Weltbild zu verändern.

Technische Daten
Herschel Planck
Startmasse: 3.900 kg 1.400 kg
Ausmaße: 7,2 x 4 x 4 m 4,2 Durchmesser, 4,2 m hoch
Kühlmittel: 2.400 Liter 1.500 Liter
Nominale Missioszeit: 3 Jahre 15 Monate
Teleskop: 3,5 m Cassegrain, 0,3 m sekundär 1,9 x 1,5 m
Frequenzbereich: 55 bis 672 µm (Nah- und Ferninfrarot) 27 GHz bis 1 Thz (Radio- und Mikrowellen)
Missionskosten: ca. 1 Mrd. Euro ca. 600 Mio. Euro
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