Euklid-Weltraumteleskop soll Licht ins dunkle Universum bringen

Von University College London, 2. August 2023

Die Euclid-Mission der ESA ist ein äußerst ehrgeiziges Projekt der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), um die Natur zweier rätselhafter Komponenten unseres Universums zu untersuchen und zu verstehen: dunkle Materie und dunkle Energie. Die am 1. Juli 2023 gestartete Raumsonde wird Milliarden von Galaxien in einer Entfernung von bis zu 10 Milliarden Lichtjahren beobachten, um die genaueste 3D-Karte des Universums zu erstellen, die jemals erstellt wurde. Bildnachweis: ESA

Euclid, a space mission led by the European Space AgencyThe European Space Agency (ESA) is an intergovernmental organization dedicated to the exploration and study of space. ESA was established in 1975 and has 22 member states, with its headquarters located in Paris, France. ESA is responsible for the development and coordination of Europe's space activities, including the design, construction, and launch of spacecraft and satellites for scientific research and Earth observation. Some of ESA's flagship missions have included the Rosetta mission to study a comet, the Gaia mission to create a 3D map of the Milky Way, and the ExoMars mission to search for evidence of past or present life on Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Die Europäische Weltraumorganisation (ESA), die über eine riesige optische Kamera verfügt, die von Forschern des University College London (UCL) entworfen und gebaut wurde, wird die großräumigen Strukturen des Universums kartieren, um zwei mysteriöse Komponenten besser zu verstehen: dunkle Materie und dunkle Energie.

Alles, was wir in der Welt um uns herum sehen und erkennen können – die Sterne, Galaxien, Blumen, unsere Körper, Atome – macht nur 5 % des Universums aus. Der Rest besteht nach aktuellen Theorien aus zwei Komponenten: dunkler Materie und dunkler Energie. Auf ihre Existenz wird indirekt geschlossen. Dunkle Materie hält Galaxien zusammen; Dunkle Energie beschleunigt die Expansion des Universums. Aber was sie sind, ist unbekannt. Jetzt wurde ein Teleskop ins All geschickt, um dieses Rätsel zu lösen.

Professor Tom Kitching vom Mullard Space Science Laboratory der UCL ist einer von vier wissenschaftlichen Koordinatoren für die von der Europäischen Weltraumorganisation geleitete Euclid-Mission. Er sagt, dass die Daten, die es zurückbringt, das Potenzial haben, festzustellen, ob dunkle Energie „Vakuumenergie“ ist – die Energie virtueller Teilchen, die im leeren Raum auftauchen und wieder verschwinden. In diesem Fall müssen grundlegende Theorien der Teilchenphysik überarbeitet werden, da diese Vakuumenergie viel stärker sein müsste, als aktuelle Theorien vorhersagen. Wenn nicht, könnte Einsteins Gravitationstheorie falsch sein. „So oder so wäre es eine Revolution in der Physik“, sagt er.

Eine Nachbildung der Raumsonde Euclid auf dem Gelände von Thales Alenia Space in Cannes, Frankreich, im Jahr 2019. Bildnachweis: Stephane Corvaja/ESA

Die Mission ist ein riesiges Gemeinschaftsprojekt – allein das Konsortium, das sie vorgeschlagen hat, besteht aus 2.000 Wissenschaftlern und Ingenieuren in 15 Ländern. Das Teleskop verfügt über zwei Instrumente. Eines davon, das Nahinfrarotspektrometer und -fotometer (NISP), erfasst Licht aus dem unsichtbaren Nahinfrarotspektrum. Der andere, VIS genannt, fängt sichtbares Licht ein. Professor Mark Cropper (UCL Mullard Space Science Laboratory) (siehe Abbildung unten) leitet seit über 16 Jahren den Entwurf und die Entwicklung der optischen VIS-Kamera und arbeitet mit Teams an der UCL, der Open University und in ganz Europa zusammen.

Professor Mark Cropper, UCL Mullard Space Science Laboratory. Bildnachweis: UCL

Die Kamera, eine der größten, die jemals ins All geschickt wurde, wird hochauflösende Panoramabilder eines großen Teils des Universums aufnehmen, der 10 Milliarden Jahre zurückreicht und ein Drittel des Nachthimmels abdeckt. Anhand dieser Daten werden Astronomen die Formen von zwei Milliarden Galaxien messen und eine Technik namens schwache Gravitationslinse verwenden – um zu sehen, wie Licht von entfernten Galaxien durch die Schwerkraft dazwischenliegender Materie auf dem Weg zum Teleskop abgelenkt wurde –, um auf den großen Maßstab zu schließen Verteilung der sichtbaren und dunklen Materie genauer als bisher möglich.

Da uns die Beobachtung entfernter Galaxien einen Blick zurück in die Zeit ermöglicht, können Astronomen analysieren, wie sich die Dunkle Materie im Laufe der Geschichte des Universums entwickelt hat. Dies gibt Einblick in die Wechselwirkung zwischen dunkler Materie (die Galaxien zusammenhält) und dunkler Energie (die sie auseinandertreibt).

VIS’s wide field of view means that, while it will take images nearly as sharp as the Hubble Space TelescopeThe Hubble Space Telescope (often referred to as Hubble or HST) is one of NASA's Great Observatories and was launched into low Earth orbit in 1990. It is one of the largest and most versatile space telescopes in use and features a 2.4-meter mirror and four main instruments that observe in the ultraviolet, visible, and near-infrared regions of the electromagnetic spectrum. It was named after astronomer Edwin Hubble." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Mit dem Hubble-Weltraumteleskop wird es einen viel größeren Bereich des Himmels abdecken – an einem Tag denselben Bereich abdecken, den Hubble über 25 Jahre hinweg abgedeckt hat. Für die Anzeige jedes Bildes wären 300 hochauflösende Fernsehbildschirme erforderlich. Über einen Zeitraum von sechs Jahren wird damit die Form von mehr als 1,5 Milliarden Galaxien gemessen. „Das sind riesige, beispiellose Bilder“, sagt Professor Cropper.

Die VIS-Kamera war ein europaweites Projekt unter der Leitung des Mullard Space Science Laboratory der UCL. Der Aufbau und die Kalibrierungseinheit stammten aus Frankreich, der Verschluss aus der Schweiz und eine Verarbeitungseinheit wurde in Italien gebaut. Die Kernelektronik, einschließlich der Anordnung aus 36 CCDs (die Photonen in Elektronen umwandeln), wurde bei MSSL gebaut, getestet und kalibriert.

Ein Ingenieur testet im Juni 2023 in einem Reinraum bei MSSL einen Plasmaanalysator für den Weltraumwettersatelliten Vigil. Bildnachweis: UCL / James Tye

The laboratory, located in a Victorian mansion in the Surrey Hills, is staffed by 60 engineers and 140 scientists. It has supported 300 space missions. Instruments designed and built at MSSL have reached many corners of the solar system, from MarsMars is the second smallest planet in our solar system and the fourth planet from the sun. It is a dusty, cold, desert world with a very thin atmosphere. Iron oxide is prevalent in Mars' surface resulting in its reddish color and its nickname "The Red Planet." Mars' name comes from the Roman god of war." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Mars to SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Saturn näherte sich der Sonne und trug dazu bei, die entferntesten Galaxien zu beleuchten. Am Fuß einer Treppe steht ein Modell der ersten britischen Rakete, der Skylark.

When I visit shortly before the Euclid launch, engineers in a clean room (pictured above) are testing a plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Plasmaanalysator für den Weltraumwettersatelliten Vigil (der Mitte der 2020er Jahre starten soll) durch Beschuss mit Ionen. Stickstoff wird durch Rohre eingeleitet, um die Instrumente kalt zu halten und so die Umgebung im Weltraum nachzuahmen.

Christine Brockley-Blatt, VIS-Projektmanagerin, außerhalb von MSSL. Bildnachweis: UCL / James Tye

Christine Brockley-Blatt (UCL Mullard Space Science Laboratory) ist die Projektmanagerin für die VIS-Kamera. Sie war für die Lieferung von 12 Elektroniksätzen (und zwei Ersatzteilen) und die Unterstützung bei deren Integration in das Raumschiff verantwortlich. (Dies geschah wie während der Pandemie aus der Ferne von MSSL aus.) Es sei „logistisch äußerst komplex“ gewesen, da verschiedene Ausrüstungsteile quer durch Europa hin- und hertransportiert würden. Neben umfassenden technischen Kenntnissen erfordert die Stelle Geduld und soziales Geschick. „Im Grunde ist es ein Mutterjob“, scherzt sie. „Man muss sicherstellen, dass es allen gut geht.“

Das Herabstrahlen von Bildern ist in gewisser Hinsicht erst der Anfang des Werkes. Hunderte von Wissenschaftlern werden an der Verarbeitung der Rohdaten in zusammenfassende Statistiken beteiligt sein, die Astronomen mit unseren aktuellen Modellen des Universums vergleichen können. Graustufendaten von VIS werden mit Farbdaten vom bodengestützten Vera C. Rubin-Observatorium und Infrarotdaten vom anderen Euclid-Instrument, NISP, kombiniert, was es dem Team ermöglicht, Objekte hinsichtlich ihrer Helligkeit und ihrer Entfernung von uns zu katalogisieren. Die verwendeten Algorithmen sind eigenständige Weiterentwicklungen.

Professor Benjamin Joachimi (UCL Physics & Astronomy) ist der stellvertretende Leiter des Teams am Ende dieses Prozesses, dessen Aufgabe es ist, Zusammenfassungen zu koordinieren und ein Gesamtbild zu erstellen. „Wenn man sich eine einzelne Galaxie ansieht, kann sie uns nicht viel sagen“, erklärt er. „Aber viele Galaxien können uns etwas über die Eigenschaften des Universums verraten.“

This process — part of the ground segment, or ground-based element of the mission — is painstaking but crucial. “Every step of the ground segment has to be perfectly done,” says Professor Joachimi. “Any tiny mistake can mess up the science that comes out at the end. Some of the accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Genauigkeitsanforderungen können in Teilen pro Million gemessen werden.“ Euklids scharfe Sicht auf Galaxien – seine höhere Auflösung im Vergleich zu früheren Untersuchungen des Universums – „hebt den Einsatz dafür, wie genau wir diese Informationen verarbeiten müssen.“

Professor Benjamin Joachimi am UCL-Observatorium, wo Studenten verschiedener Disziplinen der UCL praktische Astronomie erlernen können. Bildnachweis: UCL / Mike Lucibella

Neben seiner Rolle im Bodensegment wird Professor Joachimi auch zu den Wissenschaftlern gehören, die untersuchen, wie sich die Daten mit den Vorhersagen mathematischer Modelle des Universums vergleichen lassen. Eine zentrale Frage sei, erklärt er, wie „klumpig“ die Verteilung der Dunklen Materie sei. Die Analyse des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) – Überreste eines Lichtstoßes, der etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall durch das Universum schoss – sagt voraus, dass dunkle Materie heute klumpiger sein dürfte, als schwache Linsentechniken sie derzeit feststellen. Vielleicht hat eine neue Physik dafür gesorgt, dass die Materie weniger gebündelt ist. „Niemand hat eine gute Theorie, um das zu erklären“, sagt Professor Joachimi. „Das ist das große Rätsel, das uns nachts wach hält.“

Professor Kitching gehört zu den Wissenschaftlerteams, die die zusammenfassenden Statistiken mit Modellen vergleichen werden, um zu sehen, ob sie mit unserem aktuellen Verständnis des Universums übereinstimmen. Er war wie Professor Joachimi von Anfang an an Euklid beteiligt. Der beeindruckendste Aspekt der Mission sei für ihn nicht die Wissenschaft, sondern die menschliche Dimension, erklärt er. „Es ist inspirierend, weil Menschen aus 15 verschiedenen Ländern und Kulturen über Jahrzehnte an einem wirklich, wirklich komplizierten Experiment zusammengearbeitet haben“, sagt er. Er hofft, dass es als Beispiel für internationale Kooperationen dienen kann, die darauf abzielen, Probleme wie den Klimawandel zu lösen.

Professor Cropper, der einen großen Teil seines Berufslebens Euklid gewidmet hat, sagt, er freue sich auf die Überraschungen, die das Teleskop entdecken wird. „In diesem Detaillierungsgrad haben die Menschen das Universum noch nie gesehen“, sagt er. „In jeder 10-minütigen Belichtung, die zur Erde gesendet wird, wird es neue Dinge geben.“

Professor Ofer Lahav (UCL Physics & Astronomy), der an frühen Diskussionen über Euklid beteiligt war und die Rolle des UCL bei mehreren kosmologischen Experimenten initiiert hat, sagt, dass die Mission „unser Verständnis der dunklen Sektoren des Universums und der Bildung solcher Überstrukturen verändern wird.“ als Cluster und Hohlräume.“

Das Flugmodell des VIS-Instruments wird während Vibrationstests im Centre Spatial de Liège, Belgien, im November 2019 überprüft. Bildnachweis: CEA (Atomenergie- und Alternativenergiekommission)

Kurz vor dem Start waren viele besorgt über den Raketenflug des Teleskops ins All. Mehrere UCL-Ingenieure und Wissenschaftler, darunter Professor Cropper und Brockley-Blatt, wollten aus der Nähe in Florida zuschauen. Die Angstzustände nehmen zu, sagte Professor Cropper. „Auf dem Weg dorthin wird es hart.“

Sollte der Start erfolgreich sein, sagte Professor Kitching, „ist eine Revolution in der Physik fast garantiert.“

On July 1, 2023, Euclid successfully launched aboard a SpaceXCommonly known as SpaceX, Space Exploration Technologies Corp. is a private American aerospace manufacturer and space transport services company that was founded by Elon Musk in 2002. Headquartered in Hawthorne, California, the company designs, manufactures, and launches advanced rockets and spacecraft. SpaceX's ultimate goal is to reduce space transportation costs and enable the colonization of Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">SpaceX Falcon 9 rocket from Cape Canaveral Space Force Station in Florida, USA. Its instruments were turned on 11 days later. The spacecraft has now reached the second Lagrangian Point, a stable hovering spot about 1.5 million kilometers (1 million miles) from Earth, joining the NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA-led James Webb Space TelescopeThe James Webb Space Telescope (JWST or Webb) is an orbiting infrared observatory that will complement and extend the discoveries of the Hubble Space Telescope. It covers longer wavelengths of light, with greatly improved sensitivity, allowing it to see inside dust clouds where stars and planetary systems are forming today as well as looking further back in time to observe the first galaxies that formed in the early universe." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">James Webb-Weltraumteleskop und die Gaia-Mission der ESA: UCL-MSSL lieferte auch Teile dieser beiden Missionen.