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Eine Illustration des SPHEREx-Raumschiffs mit kosmischen Strukturen im Hintergrund. Die „Kegelform“ des Raumschiffs ist halbiert, damit man das Innere sehen kann (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Wenn alles nach Plan läuft, wird Ende Februar eine neue Figur in das Weltraumteleskop-Epos der NASA aufgenommen. Es handelt sich um eine eierschalenweiße, kegelförmige Sonde namens SPHEREx, was (Achtung, ein Zungenbrecher) für Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer steht. Und da sie mit Infrarotlicht arbeitet, soll SPHEREx Dinge aufdecken, die selbst das bahnbrechende James Webb Space Telescope nicht aufdecken kann.

„Ein Schnappschuss mit dem JWST ist wie ein Foto von einer Person“, sagte Shawn Domagal-Goldman, stellvertretender Direktor der Abteilung Astrophysik im NASA-Hauptquartier, am 31. Januar gegenüber Reportern. „Was SPHEREx und andere Durchmusterungsmissionen können, ist fast so, als würde man in den Panoramamodus wechseln, wenn man eine große Gruppe von Menschen und die Dinge, die hinter oder um sie herum stehen, einfangen will.“

Der Start ist derzeit frühestens für den 27. Februar an Bord einer SpaceX Falcon 9-Rakete geplant – und SPHEREx wird nicht die einzige Nutzlast sein. Im Rahmen des Launch Services Program der NASA, das Weltraummissionen mit geeigneten kommerziellen Trägerraketen verbindet, wird SPHEREx gemeinsam mit der PUNCH-Mission (Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere) der Behörde starten, einer Konstellation von vier kleinen Satelliten zur Erforschung der Sonne. Das Duo wird vom Startkomplex 4E auf der Vandenberg Space Force Base in Mittelkalifornien abheben.

„Dies ist der dritte Start dieser wiederverwendbaren Trägerrakete, die zuvor bei der Transporter 12-Mission am 14. Januar geflogen ist“, sagte Cesar Marin, SPHEREx-Integrationsingenieur für das Launch Services Program im Kennedy Space Center der NASA in Florida, während des Briefings und bezog sich dabei auf die erste Stufe der Falcon 9. „Der Booster wird seine phänomenale Fähigkeit, wieder zurückzukehren, einsetzen, um etwa acht Minuten nach dem Start in Zone vier auf der Vandenberg Space Force Base zu landen.“

Das Versprechen von SPHEREx

Zwei Jahre lang – sofern die NASA nicht beschließt, die Mission zu verlängern – wird SPHEREx das Universum kartieren und dabei zwei Arten von kosmischem Licht aufspüren: optisches und infrarotes.

Optisches Licht ist für das menschliche Auge sichtbar und die Spezialität vieler Teleskope, darunter das Hubble-Weltraumteleskop, während infrarotes Licht für uns unsichtbar ist und eher einer Wärmesignatur ähnelt. Infrarot ist die Spezialität des James Webb Weltraumteleskops und ist der Grund, warum das JWST uns Dinge im Universum zeigt, die uns so lange verborgen geblieben sind. Es ist das infrarote Licht des Universums, das Informationen über die entferntesten Bereiche des Weltraums, die Sterne, die in Staubmänteln geboren werden, und die Details der galaktischen Strukturen enthält, die den Wissenschaftlern das kosmische Äquivalent der neuen Farben zeigen.

Es gab zwar schon andere Infrarot-Augen am Himmel – wie das inzwischen stillgelegte Spitzer-Teleskop – und auch Hubble verfügt über einige Fähigkeiten in diesem Bereich, aber keines kann es mit dem JWST aufnehmen.

SPHEREx könnte allerdings (in gewisser Weise).

Fairerweise muss man sagen, dass SPHEREx nicht mit der Fähigkeit des JWST konkurrieren kann, stark lokalisierte Regionen des Universums zu beobachten, die sich auf den Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums beschränken. Im Gegensatz zum JWST handelt es sich jedoch um eine Durchmusterung des gesamten Himmels. Während sich das 10 Milliarden Dollar teure JWST hervorragend für die Beobachtung bestimmter Nebel und relativ schmaler, aber enorm dimensionierter tiefer Felder eignet, soll SPHEREx den gesamten Himmel von der Erde aus gesehen abbilden.

„Zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit kartieren wir buchstäblich den gesamten Himmel in 102 Infrarot-Farben, und das alle sechs Monate“, sagte Nicky Fox, Associate Administrator für das Science Mission Directorate der NASA. „Das hat es in dieser Farbauflösung für unsere alten Himmelskarten noch nicht gegeben.“

Das elektromagnetische Spektrum mit den Bereichen von Hubble und dem JWST. (Bildnachweis: NASA, J. Olmsted (STScI))

Jamie Bock, leitender Forscher von SPHEREx am California Institute of Technology in Pasadena, sagte während des Briefings: „Im Allgemeinen wurden diese Missionen mit Photometrie durchgeführt, wobei der Himmel in breiten Bändern und einer Handvoll von breiten Bändern betrachtet wurde – nicht mit diesem vollständigen Spektrum.

Die SPHEREx-Ziele

Nach was wird SPHEREx suchen? Nun, wenn man bedenkt, dass das Weltraumteleskop von seiner speziellen sonnensynchronen Umlaufbahn, die es kühl genug hält, um Infrarotemissionen zu untersuchen, so ziemlich alles am Himmel kartieren wird, ist die Liste endlos.

Um nur einige Ziele zu nennen, möchten die Wissenschaftler viele Galaxien zu verschiedenen Zeitpunkten ihrer Geschichte kennenlernen, um unser Wissen über die galaktische Entwicklung zu erweitern, und sie möchten in den leeren Raum zwischen den Sternen schauen, um zu sehen, ob dort eisige Organismen herumschwimmen, um herauszufinden, wie das Leben auf der Erde entstanden sein könnte.

„Ein großes Lob an unser Team von OSIRIS-REx in der Planetenabteilung“, sagte Domagal-Goldman. „Sie greifen diese Geschichte auf und erzählen dann, wie sie sich in unserem Sonnensystem zu Planeten wie unserer Heimat bewegt.“

Wissenschaftler hoffen auch, dreidimensionale Ansichten von Hunderten von Millionen Galaxien aufzunehmen, um unser Verständnis der kosmischen Inflation zu vertiefen – der Theorie, dass das Universum kurz nach seiner Entstehung eine atemberaubende Ausdehnung erfuhr. Es war, als ob sich ein Luftballon plötzlich aufblähte.

„Buchstäblich ein Billionstel einer Billionstel einer Milliardstel Sekunde nach dem Urknall durchlief das beobachtbare Universum eine bemerkenswerte Expansion“, so Bock, „es dehnte sich um das Billionen-Billionen-Fache aus, und diese Expansion dehnte winzige Fluktuationen, die kleiner als ein Atom waren, auf enorme kosmologische Größenordnungen aus, die wir heute sehen.“

„Wir wissen immer noch nicht, was die Inflation angetrieben hat oder warum sie entstanden ist“, sagte er.

Diese Grafik zeigt eine Zeitachse des Universums auf der Grundlage der Urknalltheorie und der Inflationsmodelle. (Bildnachweis: NASA/WMAP)

Normalerweise profitieren die verschiedenen Weltraummissionen voneinander, aber hier scheint eine solche Zusammenarbeit besonders ausgeprägt zu sein. Da das JWST so versiert in der Infrarotbildgebung ist, wird es für SPHEREx von großem Nutzen sein, den JWST-Wissenschaftlern eine Infrarotkarte des gesamten Himmels zu präsentieren, damit sie wissen, welche Bereiche sie ins Visier nehmen müssen. Und wie bereits erwähnt, versucht auch die Asteroiden-Sammelmission OSIRIS-REx (jetzt OSIRIS-APEX genannt, nach ihrem neuen Asteroiden-Ziel, dem berüchtigten Apophis), eine Verbindung zwischen den Punkten herzustellen, wenn es um die im Weltraum verstreuten organischen Stoffe geht.

Wenn alles nach Plan läuft, wird im Laufe des Jahres auch ein großes bodengestütztes Teleskop, das Vera Rubin Observatory, das Licht der Welt erblicken. Rubin wird ebenfalls riesige Bereiche des Himmels kartieren, wenn auch in anderen Wellenlängen – aber das bedeutet nur, dass ein weiterer Filter von Beobachtungen zu den SPHEREx-Karten hinzugefügt werden kann.

„Kein einziges Instrument, kein einziges Instrument, keine einzige Mission kann uns die ganze Geschichte des Kosmos erzählen“, sagte Domagal-Goldman. „Die Antworten auf die großen Fragen wie diese kommen von der Kraft der kombinierten Beobachtungen von kombinierten Observatorien.“

SPHEREx Logistik

„SPHEREx ist ein Beweis dafür, dass man mit einem kleinen Teleskop große Wissenschaft betreiben kann“, sagte Beth Fabinsky, stellvertretende Projektleiterin von SPHEREx am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien, während des Briefings.

Das Team gibt die Kosten für SPHEREx mit etwa 488 Millionen Dollar an (ohne einige noch anfallende Kosten), was sich zwar nach viel anhört, aber im Vergleich zu den Preisen für Weltraummissionen eher bescheiden ist. Das gilt vor allem, wenn man bedenkt, was SPHEREx letztlich für unsere wissenschaftlichen Lehrbücher leisten könnte.

Im Rahmen dieses Budgets wurde das Raumfahrzeug auch sorgfältig hergestellt, wobei mehrere wichtige Aspekte seiner Struktur berücksichtigt wurden.

„Es wiegt etwa 1.100 Pfund, also etwas weniger als ein Flügel, und verbraucht etwa 270-300 Watt Strom – weniger als ein Kühlschrank“, sagte Fabinsky. „Es produziert mehr Strom als es braucht, indem es eine dicke Solaranlage verwendet, ähnlich wie eine, die man auf dem Dach seines Hauses haben könnte.“

Das größte Problem bei der Infrarot-Bildgebung ist jedoch, dass das Instrument, das die Bildgebung vornimmt, nicht der Hitze ausgesetzt werden darf, da dies die Daten beeinträchtigt. „Wenn sie zu warm sind, werden sie durch ihr eigenes warmes Glühen geblendet“, so Fabinsky. Doch leider gibt es im Weltraum eines der heißesten Objekte, denen ein Raumfahrzeug ausgesetzt werden kann: die Sonne.

SPHEREx während des Baus und der Tests. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Aus diesem Grund wurde die spezielle Umlaufbahn von SPHEREx so gewählt, dass es vom Sonnenlicht ferngehalten wird, wie bereits kurz erwähnt; dies war auch ein wichtiger Bestandteil der Konstruktion und Platzierung des James Webb Space Telescope. Das JWST befindet sich ebenfalls an einem Ort, der es jederzeit von der Sonnenwärme abschirmt, dem sogenannten Lagrange-Punkt 2.

„Wir haben drei konzentrische, kegelförmige Photonenschilde“, sagte Fabinsky und erläuterte, wie das Team plant, SPHEREx bei angemessenen kalten Temperaturen zu halten. „Sie schützen das in der Mitte eingeschlossene Instrument zusammen mit drei gebogenen Platten an der Unterseite der Nutzlast, dem so genannten V-Gruppen-Strahler, vor Sonnenlicht und Erdstrahlen. Sie tragen dazu bei, die Wärme von dem warmen Raumfahrzeug unter der Nutzlast abzustrahlen.“

Sobald SPHEREx sicher im Weltraum ist, vollständig entfaltet und korrekt hochgefahren wurde, wird das Team mit der ersten sechsmonatigen Durchmusterung des Himmels durch die Mission beginnen. „Die Hauptform der Datenfreigabe ist die Veröffentlichung von so genannten kalibrierten Spektralbildern, die innerhalb von zwei Monaten nach der Beobachtung erstellt werden“, sagte Bock, der jedoch betonte, dass es eine bestimmte Leistung gibt, die er für die absehbare Zukunft ins Auge gefasst hat:

„Ich muss sagen, dass der Moment, auf den ich mich freue, der ist, wenn wir den Deckel des Teleskops abnehmen und unser erstes Bild aufnehmen – das wird uns zeigen, dass alles wie erwartet funktioniert.“