Technologie

Auf der Suche nach Sternexplosionen

31.10.2019 - Ultrasat soll mit hochempfindlicher UV-Kamera auf die Jagd nach Supernovae und ähnlichen Ereignissen gehen.

Ein neues Weltraumteleskop wird einen bislang unerreichten Blick auf den Sternenhimmel im ultravioletten Licht ermöglichen: Der Satellit Ultrasat (Ultraviolett Transient Astronomy Satellite) soll grundlegende neue Erkenntnisse über energiereiche Phänomene wie Supernova-Explosionen, kollidierende Neutronensterne und aktive schwarze Löcher sammeln, die auch Gravitations­wellen erzeugen und als kosmische Teilchen­beschleuniger fungieren können. Der Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft, Otmar D. Wiestler, und der Direktor des Helmholtz-Zentrums DESY, Helmut Dosch, haben am Montag in Rehovot eine Kooperation mit dem israelischen Weizmann-Institut für Wissenschaften über eine deutsche Beteiligung an dem israelisch geführten Vorhaben vereinbart. DESY wird demnach die 100-Megapixel-UV-Kamera für das Weltraumteleskop bauen. Für das Projekt hat DESY sich mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR vernetzt, das ebenfalls zur Helmholtz-Gemeinschaft gehört.
 

„Helmholtz hat seit Jahrzehnten vielfältige und exzellente wissenschaftliche Kooperationen mit israelischen Partnern. Nun gehen wir gemeinsam mit dem Weizmann-Institut für Wissenschaften einen weiteren wichtigen Schritt auf dem Gebiet der Astrophysik. Das freut mich außerordentlich“, sagt Helmholtz-Präsident Otmar D. Wiestler. „Die Zusammen­arbeit beim Weltraum­teleskop Ultrasat hat das Potenzial, völlig neue Grundlagen für die Detektion von Gravitations­wellen und verwandten astro­physikalischen Ereignissen zu schaffen, die international auf Spitzen­niveau liegen.“

DESY-Direktor Helmut Dosch ergänzt: „Uns verbindet mit einer Reihe israelischer Partner eine lange, fruchtbare Zusammen­arbeit. Diese Erfolgs­geschichte schreiben wir nun mit der Beteiligung an dem anspruchsvollen Satelliten­projekt des Weizmann-Instituts für Wissenschaften fort.“ DESYs Forschungsdirektor für Astroteilchenphysik, Christian Stegmann, betont: „ Ultrasat bietet uns einzigartige Einblicke ins Hochenergie-Universum. Mit der Kamera für das Teleskop kann DESY seine herausragende Expertise in der Detektorentwicklung für die Astro­teilchen­physik sowie für die Röntgenphysik kombinieren und einbringen.“

Ultrasat wird den Himmel im ultravioletten Bereich (220 bis 280 Nanometer Wellenlänge) des elektro­magnetischen Spektrums untersuchen und dabei ein besonders großes Gesichtsfeld von 225 Quadratgrad besitzen – das ist rund 1200 Mal so groß, wie der Vollmond am irdischen Himmel erscheint. „Diese einzigartige Konfiguration wird uns helfen, einige der großen Fragen der Astrophysik zu beantworten“, betont Chef­wissenschaftler Eli Waxman vom Weizmann-Institut für Wissenschaften.

„Wir wollen genau verstehen, wie die Elemente erzeugt und wie sie verteilt werden“, erläutert David Berge von DESY. Sowohl Supernova-Explosionen als auch Neutronen­stern­kollisionen lassen sich besonders gut im UV-Licht verfolgen, wie Berge betont. „Die direkte Phase einer Supernova in den ersten Minuten, Stunden und Tagen ist vor allem im UV zu sehen. In dieser Zeit enthält das UV-Licht charakteristische Signaturen, die auf den Vorgänger­stern schließen lassen.“ Erst danach bricht irgendwann eine Schockwelle aus dem heißen Feuerball, in der auch geladene subatomare Teilchen auf hohe Energien beschleunigt werden. „Der Satellit kann uns also helfen, die Entstehung solcher kosmischen Teilchen­beschleuniger zu verstehen“, sagt Berge. „Wir möchten auch erkunden, welcher Typ Stern in welcher Art Supernova explodiert.“

Ultrasat ist besonders für energiereiche Phänomene empfindlich. „Alles, was extrem heiß wird, leuchtet hell im UV-Licht“, berichtet DESY-Forscher Rolf Bühler, Projektleiter für die UV-Kamera. Dazu gehören auch aktive schwarze Löcher, die sich Materie aus der Umgebung einverleiben und ebenfalls Teilchen beschleunigen, sowie kollidierende Neutronensterne. Die Beobachtung von Neutronenstern-Crashs kann dabei nicht nur über die Element­synthese im Kosmos Aufschluss geben, sondern ist auch für die Gravitations­wellen-Forschung von großer Bedeutung. 

„Wenn von verschmelzenden Neutronensternen Gravitations­wellen registriert werden, lässt sich deren Position anhand der Gravitations­wellendaten bislang nur grob eingrenzen“, erläutert Bühler. „ Ultrasat kann innerhalb von höchstens dreißig Minuten auf die Zielregion schwenken und dank seines großen Gesichtsfeldes die genaue Position anhand der UV-Strahlung nahezu sofort bestimmen.“ Damit hat der Satellit eine entscheidende Funktion für das noch junge Feld der Multi-Messenger-Astronomie (MMA), die das Universum über verschiedene Boten wie kosmische Teilchen, Gravitations­wellen und elektro­magnetische Strahlung untersucht und einen neuen Schwerpunkt bei DESY bildet. Mit seinem großen Gesichtsfeld wird der Satellit einen besonders großen Himmels­ausschnitt im Blick haben und dadurch auch unbekannte, plötzlich aufflammende Objekte im UV-Bereich entdecken können.

Mit einem Gesamtgewicht von nur 160 Kilogramm und einem Volumen von weniger als einem Kubikmeter ist Ultrasat ein wissenschaftlicher Kleinsatellit. Finanzierung und Management teilen sich das Weizmann-Institut für Wissenschaften und die Israelische Raumfahrt­agentur ISA. Der Start ist für 2023 geplant. Anschließend soll das Weltraumteleskop drei Jahre lang Daten sammeln. Es wird dazu in einem Orbit rund 35.000 Kilometer über der Erdoberfläche stationiert. Das garantiert, dass störende ultraviolette Hintergrund­strahlung, die die Erdatmosphäre von der Sonne reflektiert, vernachlässigbar ist und daher große Himmels­bereiche beobachtet werden können. UV-Strahlung lässt sich nur aus dem Erdorbit beobachten, weil sie von der Erdatmosphäre zu großen Teilen absorbiert und reflektiert wird.

Die UV-Kamera, die DESY entwickelt und baut, wird das Herzstück des Teleskops. Sie wird eine UV-empfindliche Sensorfläche von neun mal neun Zentimetern bekommen und eine Auflösung von 100 Megapixel besitzen. Damit betreten die Entwickler Neuland: Eine UV-Weltraum­kamera mit derartiger Auflösung und Empfindlichkeit ist bislang nirgends gebaut worden. Für die Kamera arbeiten bei DESY Experten aus der Astro­teilchen­physik mit Spezialisten für Detektor­entwicklung aus dem Bereich Forschung mit Synchrotron­strahlung zusammen. Mit dem Projekt trägt DESY etwa fünf Millionen Euro zu dem insgesamt rund siebzig Millionen Euro teuren Satelliten bei.

DESY / DE
 

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