Tag: 13. Dezember 2021

Erste Mission die nur Atmosphären von Exoplaneten untersucht: ESA wählt Airbus für Exoplaneten-Mission Ariel aus

/ chrisdauck

Kennt ihr schon die „Ariel“ Mission der ESA? Ich schon lange. Missionen wie „Ariel“ und „James Webb“ sollten auch der/die nicht interessierte für Raumfahrt und Astrobiologie, kennen. Freue mich für den 200-Millionen-Euro-Vertrag für Airbus.

Ariel wird die Atmosphäre von Hunderten von Exoplaneten analysieren – Kontinuität nach CHEOPS, Synergien mit der Gaia-Mission – 200-Millionen-Euro-Vertrag mit Start im Jahr 2029. Eine Pressemitteilung von Airbus Defence and Space.

Ariel im All – künstlerische Darstellung. (Bild: Airbus)

Toulouse, 7. Dezember 2021 – Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hat mit Airbus einen Vertrag über den Bau der Mission Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey (Ariel) unterzeichnet. Ariel ist die vierte Mission mittlerer Klasse im Rahmen des ESA-Programms Cosmic Vision.

Ariel wird die Zusammensetzung von Exoplaneten, ihre Entstehung und Entwicklung untersuchen, indem es eine Reihe von etwa 1000 extrasolaren Planeten im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich vermessen wird. Es ist die erste Mission, die sich der genauen Messung der chemischen Zusammensetzung und der thermischen Strukturen von vorbeiziehenden Exoplaneten widmet. Der Auftrag hat einen Wert von rund 200 Millionen Euro.

“Airbus verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Leitung bahnbrechender wissenschaftlicher Missionen, darunter JUICE, Gaia, Solar Orbiter, LISA Pathfinder und CHEOPS, auf der wir für die jüngste ESA-Wissenschaftsmission Ariel aufbauen”, sagte Jean-Marc Nasr, Leiter von Airbus Space Systems.

“Bei Airbus Toulouse, dem größten Raumfahrtstandort in Europa, verfügen wir über alle Ressourcen, Einrichtungen und Fachkenntnisse für die Entwicklung, Fertigung und Integration der Raumfahrzeuge und unterstützen die ESA aktiv bei der Entwicklung der Nutzlast. Airbus Stevenage ist vollständig in das Hauptteam für die Entwicklung der Avionik, der Hochfrequenz-Kommunikation und des elektrischen Designs der Plattform integriert, wie dies bereits bei der Entwicklung von Gaia erfolgreich der Fall war.”

Airbus wird das europäische Industriekonsortium mit mehr als 60 Unterauftragnehmern für den Bau des Satelliten leiten und der ESA Fachwissen und Unterstützung bei der Entwicklung des Nutzlastmoduls zur Verfügung stellen.

“Mit diesem Meilenstein für die Ariel-Mission feiern wir die Fortsetzung der hervorragenden Beziehungen mit unseren Industriepartnern, um Europa bis weit in das nächste Jahrzehnt und darüber hinaus an der Spitze der Erforschung von Exoplaneten zu halten”, sagte Günther Hasinger, Direktor für Wissenschaft der ESA.

Ariel Infografik. (Bild: Airbus)

Seit der ersten Beobachtung im Jahr 1995 wurden mehr als 5.000 Exoplaneten identifiziert, aber über die chemische Zusammensetzung ihrer Atmosphäre ist nur wenig bekannt. Bestehende Forschungsmissionen liefern Ergebnisse über Exoplaneten (wie der für die ESA von Airbus gebaute CHEOPS), aber Ariel wird die erste Mission sein, die sich der Untersuchung der Atmosphäre einer großen Anzahl von Exoplaneten widmet, einschließlich der Bestimmung der Hauptbestandteile der Atmosphäre und der Charakterisierung von Wolken. Die Beobachtung dieser Welten wird Einblicke in die frühen Stadien der Entstehung von Planeten und Atmosphären und ihre spätere Weiterentwicklung geben und damit zum Verständnis unseres eigenen Sonnensystems beitragen. Sie könnten uns dabei helfen herauszufinden, ob es anderswo in unserem Universum Leben gibt und ob es einen weiteren Planeten wie die Erde gibt.

Die Mission wird sich auf warme und heiße Planeten konzentrieren, von Supererden bis hin zu Gasriesen, die in der Nähe ihrer Muttersterne kreisen und die Zusammensetzung ihrer gut durchmischten Atmosphären entschlüsseln.

Nach dem Start im Jahr 2029 mit einer Ariane-6-Trägerrakete wird Ariel auf eine direkte Transferflugbahn zum zweiten Lagrange-Punkt (L2) gebracht. Dank seiner sehr stabilen thermischen und mechanischen Konstruktion wird das Raumfahrzeug in der Lage sein, Langzeitbeobachtungen desselben Planeten/Sternsystems mit einer Dauer von 10 Stunden bis zu drei Tagen durchzuführen. Die Mission wird vier Jahre dauern, wobei eine Verlängerung um mindestens zwei Jahre möglich ist.

Airbus war Hauptauftragnehmer für die ESA-Mission CHEOPS. Ziel der im Dezember 2019 gestarteten Mission ist die Charakterisierung von Exoplaneten, die nahe Sterne umkreisen. Dabei sollen bekannte Planeten im Größenbereich zwischen Erde und Neptun beobachtet und ihre Radien präzise gemessen werden, um Dichte und Zusammensetzung zu bestimmen.

Quelle: https://www.raumfahrer.net/esa-waehlt-airbus-fuer-exoplaneten-mission-ariel-aus/

ESA selects Airbus for exoplanet mission Ariel

Ariel will analyse the atmosphere of hundreds of exoplanets

Toulouse, 7 December 2021 –The European Space Agency (ESA) has signed a contract with Airbus to build the Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey (Ariel) mission. Ariel is the fourth medium-class mission in ESA’s Cosmic Vision programme.

Ariel will study the composition of exoplanets, how they formed and how they evolve, by surveying a diverse sample of about 1000 extrasolar planets in visible and infrared wavelengths. It is the first mission dedicated to measuring precisely the chemical composition and thermal structures of transiting exoplanets. The contract is valued at around € 200 million.

“Airbus has extensive experience of leading ground-breaking science missions, including JUICE, Gaia, Solar Orbiter, LISA Pathfinder and CHEOPS, on which we are building for ESA’s latest science mission, Ariel,” said Jean-Marc Nasr, Head of Space Systems at Airbus.

“In our Toulouse facilities, the largest space site in Europe, we have all the resources, facilities and expertise to design, manufacture and integrate the spacecraft and actively support ESA with payload development. Airbus Stevenage is fully integrated in the prime team for the engineering of the avionics, Radio Frequency communication and electrical design of the platform, as successfully proven for the development of Gaia”.

Airbus will lead the European industrial consortium with more than 60 contractors for building the satellite and provide expertise and support to ESA for the development of the payload module.

“With this milestone for the Ariel mission we celebrate the continuation of the outstanding relationship with our industry partners to keep Europe at the forefront of excellence in the field of exoplanet research well into the next decade and beyond,” said Günther Hasinger, ESA’s Director of Science.

More than 5,000 exoplanets have been identified since the first observation in 1995, but little is known about the chemical composition of their atmospheres. Existing space science missions are delivering results on exoplanets (such as the Airbus-built CHEOPS for ESA), but Ariel will be the first mission dedicated to studying the atmospheres of a large number of exoplanets, including main atmospheric component determination and cloud characterisation. Observations of these worlds will give insights into the early stages of planetary and atmospheric formation, and their subsequent evolution, in turn contributing to the understanding of our own Solar System. They could help us find out whether there is life elsewhere in our universe and if there is another planet like Earth.

The mission will focus on warm and hot planets, ranging from super-Earths to gas giants orbiting close to their parent stars, taking advantage of their well-mixed atmospheres to decipher their bulk composition.

After its launch, in 2029 on an Ariane 6 launcher, Ariel will be injected onto a direct transfer trajectory to the second Lagrangian point (L2). Thanks to its very stable thermal and mechanical design, the spacecraft will be able to carry out long term observations of the same planet/star system for a duration of between 10 hours and up to three days. Its mission will last four years with a possible extension of at least two years.

Airbus was prime contractor for ESA’s mission CHEOPS. Launched in December 2019, its goal is to characterise exoplanets orbiting nearby stars, observing known planets in the size range between Earth and Neptune and precisely measuring their radii to determine density and composition.

Quelle: https://www.airbus.com/en/newsroom/press-releases/2021-12-esa-selects-airbus-for-exoplanet-mission-ariel

James-Webb-Teleskop: Die wissenschaftlichen Ziele des Teleskop

/ chrisdauck

Noch wenige Tage: Es ist das größte, komplizierteste und teuerste Instrument, das die Menschheit jemals in den Weltraum gebracht hat: Das James-Webb-Weltraumteleskop ist eine Mission der Superlative. Mit seinem 25 Quadratmeter großen Spiegel und hochsensiblen Infrarotoptiken wird dieses Teleskop weiter und schärfer sehen als alle vor ihm.

Der Grund, warum das James-Webb-Teleskop primär im Infraroten arbeitet, hängt eng mit den wissenschaftlichen Zielen seiner Mission zusammen. Denn eine der Aufgaben des JWST ist es, noch weiter zurück in die Vergangenheit des Kosmos zu schauen als Hubble – zurück in die Zeit, als sich die allerersten Galaxien bildeten. „Mit Webb wollen wir erstmals Galaxien aus der Zeit direkt nach dem Urknall erkunden“, erklärt Steven Finkelstein von University of Texas. „Das war bisher mit keinem anderen Teleskop möglich.“

Das James-Webb-Teleskop soll zurückschauen bis in die Ära der Reionisierung – der Zeit, als die ersten Sterne und Galaxien entstanden.© NASA/ESA, Joyce Kang (STScI)

Der Grund: Das Universum dehnt sich seit dem Urknall immer weiter aus und das führt auch zu einer Dehnung der Strahlung, die seit Jahrmilliarden zu uns unterwegs ist. Dadurch ist das Lichtspektrum ferner Galaxien und Sterne aus dem UV- oder optischen Bereich in das langwelligere Infrarot verschoben – und genau diesen Bereich kann das Webb-Teleskop mit seinem großen Spiegel und den optischen Instrumenten abbilden.

Zurück zum Anfang

Die bisher ältesten bekannten Galaxien stammen aus der Zeit nur gut 500 Millionen Jahre nach dem Urknall. Doch wann die Bildung der ersten Galaxien begonnen hat, ist bislang unklar: „Einige Modelle besagen, dass wir mindestens 50 Galaxien aus der Zeit vor der Reichweite von Hubble finden müssten, andere prognostizieren nur eine Handvoll“, sagt Finkelstein. Das Webb-Teleskop soll erstmals zeigen, wann die ersten Sterne und Galaxien entstanden und wie sie beschaffen waren. Das könnte auch klären, wie einige Quasare und Galaxien schon zu dieser frühen Zeit so enorm massereich werden konnten.

Hinzu kommt: Dank seiner hohen Lichtausbeute und scharfen Optiken kann das neue Weltraumteleskop die fernen Sterne und Galaxien nicht nur abbilden, sondern auch ihr Lichtspektrum hochaufgelöst aufschlüsseln. Dies leisten seine beiden Spektrografen MIRI und NIRSpec, die im mittleren und nahen Infrarot arbeiten. Letzterer besitzt fast 250.000 Mikroblenden, mit denen man gezielt Strahlung nur von bestimmten Bildausschnitten einlassen kann. „Wir öffnen einfach die Mikroblenden dieses Spektrografen, um zum ersten Mal die Spektren von hunderten dieser frühen Galaxien zu untersuchen“, erklärt Mark Dickinson vom National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory in Arizona.

Sternenwiegen, Galaxien und Dunkle Materie

Der Blick ins Infrarote hat aber noch einen Vorteil: Viele Prozesse im Kosmos sind von dichten Staubwolken umgeben. Durch sie ist beispielsweise die Entstehung neuer Sterne und Planeten im sichtbaren Licht nicht zu erkennen, der Staub verdeckt die Sicht. Die langwelligere Infrarotstrahlung hingegen durchdringt diese Wolken. Das JWST könnte daher erstmals die frühesten Stadien der Sternbildung enthüllen und damit letztlich auch die Vorgeschichte unseres eigenen Sonnensystems.

Ein weiteres Aufgabengebiet ist der genaue Blick auf einige Galaxien in der unmittelbaren Nachbarschaft unserer Milchstraße. Diese Zwerggalaxien sind größtenteils sehr lichtschwach und daher mit normalen Teleskopen nur schwer im Detail zu beobachten. Die scharfen „Augen“ des Webb-Teleskops können jedoch die Bewegungen dieser Galaxien und ihrer Sterne präzise kartieren.
Das könnte verraten, wie solche Galaxien miteinander interagieren und wie aus ihren Verschmelzungen größere Sternenansammlungen werden.

Aus ihrer Beobachtung könnten Astronomen aber auch mehr über die Verteilung der Dunkle Materie und ihre Rolle bei der Galaxienbildung erfahren. „Wie sich Strukturen im Universum bilden, hängt von den Eigenschaften der Dunklen Materie ab“, erklärt Roeland van der Marel vom Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore. Über diese soll das JWST mehr Aufschluss geben. Vielleicht klärt sich dann auch, warum einige Zwerggalaxien fast keine Dunkle Materie zu enthalten scheinen.

Fremde Welten im Blick

Besondere Hoffnung verbinden auch Planetenforscher mit dem neuen Weltraumteleskop. Denn mit ihm wird es erstmals möglich sein, die Atmosphären von Exoplaneten auf ihre Zusammensetzung hin zu analysieren – und nach chemischen Signaturen von außerirdischem Leben zu suchen. Eigens dafür gedacht ist das NIRISS-Instrument – ein Nahinfrarot-Spektrograf, der das überstrahlende Licht des Zentralsterns abschirmt. Dadurch kann er das weit schwächere Leuchten des Planeten einfangen und analysieren.

So könnte das vom JWST analysierte Lichtspektrum eines erdähnlichen Exoplaneten mit Atmosphäre aussehen.© NASA/ESA, CSA, STScI, Joseph Olmsted (STScI)

Webbs Optiken sind zudem scharf genug, um erste Fotos naher Exoplaneten zu liefern. Zu den ersten mit dem Teleskop anvisierten Zielen werden einige erdähnliche Exoplaneten in unserem nahen kosmischen Umfeld gehören, darunter auch die sieben erdgroßen Planeten des nur 40 Lichtjahre von uns entfernten Systems TRAPPIST-1. Denn von diesen Welten könnten gleich mehrere lebensfreundlich sein.

Beryllium, Gold und Eiseskälte

Der Spiegel des James-Webb-Teleskops

Herzstück des James-Webb-Weltraumteleskops und sein auffallendstes Merkmal ist der Spiegel: Aus 18 sechseckigen Teilen zusammengesetzt, hat der Primärspiegel einen Durchmesser von 6,50 Metern und eine Fläche von 25 Quadratmetern – mehr als das Fünffache des Hubble-Spiegels. Um ein optisches Instrument dieser Größe ins All zu bringen, ist einiges an innovativer Technik nötig. Die Nutzung im Infrarotbereich stellt die Technik vor weitere Herausforderungen.

Sechs Segmente des JWST-Spiegels vor dem Test in einer Kältekammer.

„Webb ist das perfekte Beispiel dafür, wie der Forscherdrang der Wissenschaft die Ingenieurskunst zu neuen Grenzen treibt“, sagt Webb-Projektmanager Bill Ochs.

Ultrasteifes Leichtgewicht

Die erste Hürde für ein Weltraumteleskop mit Spiegeln dieser Größe ist das Gewicht: Weil die Nutzlast der verfügbaren Trägerraketen begrenzt ist, müssen alle Bauteile möglichst leicht sein. Würden die Spiegel des JWST wie beim Hubble-Teleskop aus Glas mit einer Metallbeschichtung bestehen, wäre das Ganze nicht mehr transportierbar. Deshalb haben die NASA-Ingenieure ein Material ausgewählt, das schon bei Überschallflugzeugen und im Space-Shuttle zum Einsatz kam: Beryllium.

Dieses Erdalkalimetall ist nach Lithium das zweitleichteste aller Metalle, trotzdem ist es extrem stabil. „Im Verhältnis zu seiner Masse hat Beryllium eine sehr hohe Steifigkeit“, erklärt NASA-Ingenieur Lee Feinberg, zuständig für alle optische Elemente des Teleskops. Dadurch ist Beryllium sogar sechsmal steifer als Stahl. Dank dieser Kombination von hoher Festigkeit und geringem Gewicht reicht eine Wabenstruktur aus nur millimeterfeinen Streben auf der Spiegelrückseite aus, um die hauchdünne Spiegelfläche zu stabilisieren.

Obwohl der Primärspiegel des JWST fast dreimal größer ist als der des Hubble-Teleskops, wiegt er dank des Berylliums und der extremen Leichtbauweise gut 100 Kilogramm weniger – 705 statt 825 Kilogramm.

Die Spiegelfläche und die wabenartig strukturierte Rückseite der Spiegelsegmente besteehn aus Beryllium.© AXSYS

Kaum Bewegung bei Temperaturveränderungen

Doch das Beryllium hat noch einen zweiten, fast noch wichtigeren Vorteil: Es hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und reagiert gleichzeitig kaum auf Temperaturveränderungen. Für die fast nanometergenau justierte Ausrichtung der Spiegel und ihrer Krümmung ist dies eine entscheidende Eigenschaft. Während andere Metalle sich bei Erwärmung ausdehnen und beim Abkühlen wieder schrumpfen, bleibt Beryllium bei den niedrigen Temperaturen des Alls über einen breiten Bereich

Heikle Politur

Das beste Material nutzt jedoch nichts, wenn die optische Oberfläche nicht die richtige Form und Glätte hat – wie der anfangs „schiefe“ Blick des Hubble-Welttraumteleskops vor gut 30 Jahren demonstrierte. Eine Abweichung von nur vier Mikrometern in der Krümmung des Spiegels machte damals die Aufnahmen unscharf. Erst dank einer „Brille“ in Form speziell angepasster optischer Instrumente konnte Hubble wieder scharf sehen.

Entsprechend heikel ist das Polieren der Beryllium-Segmente beim JWST: Weil dieses Weltraumteleskop anders als Hubble nicht im Erdorbit kreist, sondern 1,5 Millionen Kilometer von uns entfernt am Lagrangepunkt 2, ist eine Reparaturmission nahezu unmöglich. „Das Polieren der Spiegel galt als der schwierigste und wichtigste technische Meilenstein bei der Herstellung des Teleskops“, erklärt Feinberg. Erschwerend kommt hinzu, dass das Spiegel des Teleskops aus 18 Segmenten besteht, die einzeln poliert werden, aber sich hinterher perfekt ergänzen müssen.

„Damit die Segmente des Primärspiegels wie ein einziger großer Spiegel funktionieren, müssen sie bis auf ein Zehntausendstel der Dicke eines menschlichen Haares genau ausgerichtet sein“, erklärt Feinberg. Jeweils sechs Aktuatoren auf der Rückseite der Spiegel sorgen dafür, dass diese Feinjustierung im Weltall stattfinden kann. Erst wenn der Spiegel und die gesamte Optik des Teleskops auf die endgültige Arbeitstemperatur von minus 220 bis minus 243 Grad abgekühlt sind, findet diese bis auf zehn Nanometer genaue Anpassung statt.

Sowohl die Berylliumoberfläche des Spiegels als auch der hauchdünne Goldüberzug müssen perfekt poliert und fehlerfrei sein.© NASA/Chris Gunn

Gold für den perfekten Glanz

Doch für die fertigen Spiegel fehlt noch etwas Entscheidendes: die Goldbeschichtung. Denn erst diese rund 100 Nanometer dünne Schicht des Edelmetalls sorgt dafür, dass die eingehende Infrarotstrahlung nahezu vollständig reflektiert und auf den Sekundärspiegel fokussiert werden kann. Deshalb sind sowohl die Segmente des Primärspiegels als auch der konvexe, gut sieben Meter über dem Primärspiegel sitzende Sekundärspiegel mit Gold überzogen. Insgesamt wiegt diese Beschichtung nur rund 50 Gramm – das gesamte Gold dafür würde in einen Murmel passen.

Quelle: https://www.scinexx.de/dossierartikel/zurueck-zu-den-ersten-sternen/