Ein Panoramablick auf die Milchstraße im Röntgenlicht, aufgenommen mit dem Weitfeld-Röntgenteleskop der Einstein-Sonde (Bildnachweis: EPSC/NAO-CAS/DSS/ESO)
Eine gemeinsame chinesisch-europäische Röntgenteleskop-Mission mit dem Namen Einstein Probe betrachtet erfolgreich das Universum im Breitbildformat, mit einem Teleskopdesign, das die Augen von Hummern nachahmt.
Die am 9. Januar an Bord einer chinesischen Langmarsch-Rakete gestartete
Einstein-Sonde durchläuft derzeit Tests und die Kalibrierung ihrer Instrumente, während sie die Erde in einer Höhe von 600 km umkreist. Ihre ersten Beobachtungen wurden auf einem Symposium in Peking vorgestellt.
Das Problem mit Röntgenstrahlen ist, dass sie so energiereich sind, dass sie mit einem Standarddetektor nur schwer zu erfassen sind. Linsen funktionieren nicht, weil Röntgenstrahlen zu stark sind, um leicht gebrochen zu werden, und ein Röntgenstrahl, der frontal auf einen Spiegel trifft, geht einfach durch den Spiegel hindurch. Röntgenstrahlen können nur dann erfasst werden, wenn sie in einem flachen Winkel auf eine reflektierende Oberfläche treffen. Von dort aus können die Strahlen auf einen röntgenspezifischen Detektor gelenkt werden. Dieser Mechanismus birgt jedoch ein kleines Problem. Er bedeutet, dass ein Röntgenteleskop Röntgenstrahlen in der Regel nur in einem engen Sichtfeld nachweisen kann; außerhalb dieses Sichtfeldes würden die Röntgenstrahlen in einem zu großen Winkel auftreffen.
Wie sich herausstellt, sind Hummer die Lösung – Hummer-Sehen, das heißt. Diese Grundidee wurde bereits Ende der 1970er Jahre von Wissenschaftlern aufgegriffen, aber es hat Jahrzehnte gedauert, bis sie erfolgreich für Röntgenteleskope im Weltraum eingesetzt werden konnte.
Die menschlichen Augen funktionieren nach dem Prinzip der Brechung durch eine Linse, auch Hornhaut genannt. Hummer hingegen nutzen die Reflexion. Ihre Augen bestehen aus winzigen Röhren, die als parallele, quadratische Poren auf der Oberfläche ihrer Augen angeordnet sind, wobei jede Röhre in eine andere Richtung zeigt. Das Licht tritt in die Röhren ein und wird auf die Netzhaut reflektiert. Während das menschliche Sehvermögen ein Feld von etwa 120 Grad abdeckt, haben Hummer ein 180-Grad-Panorama-Sehvermögen.
Die Hummeraugen-Röntgenoptik wurde bereits bei Missionen zur Erforschung des Sonnenwinds, bei interplanetaren Missionen und bei einer Technologie-Demonstrationsmission namens LEIA (Lobster Eye Imager for Astronomy) im Jahr 2022 eingesetzt. Die Einstein-Sonde ist jedoch die erste Mission, bei der die Hummeraugenoptik in einem Weltraumteleskop eingesetzt wird. Ihr Weitfeld-Röntgenteleskop (WXT) lehnt sich an das Design eines Hummerauges an, mit Hunderttausenden von Röhren, die in 12 Modulen angeordnet sind, die so positioniert sind, dass das WXT ein Sichtfeld von mehr als 3.600 Quadratgrad, was einem Elftel des Himmels entspricht, in einer einzigen Aufnahme erfassen kann. In nur drei Umläufen kann WXT den gesamten Himmel mit Röntgenstrahlen abbilden.
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Auf der linken Seite sind Mikroskopbilder des Auges eines Hummers zu sehen, mit Tausenden von winzigen quadratischen Poren, die mit Röhren verbunden sind, die das Licht durch Reflexion auf die Netzhaut des Hummers leiten. Rechts ist ein Diagramm der Größe dieser quadratischen Poren zu sehen. (Bildnachweis: ESA/J. Camp)
WXT sucht nach Dingen, die in der Nacht auftauchen: so genannte Röntgentransienten, bei denen es sich oft um zufällige oder einmalige Ereignisse handelt, wie z. B. das Aufflackern eines Sterns oder das plötzliche Aufleuchten eines ruhenden Schwarzen Lochs, das ein kleines Materiepaket verschluckt hat. Dazu gehören auch Phänomene wie explodierende Sterne und verschmelzende Neutronensterne, die die Quelle von Gravitationswellen sind, die im gesamten Kosmos widerhallen. Dank dieses weiten Blickfelds dürfte WXT unser Wissen über diese Transienten erheblich erweitern.
Zur Ergänzung des Panoramablicks von WXT hat die Einstein-Sonde auch ein zweites Teleskop an Bord, das so genannte Follow-up X-ray Telescope (FXT), ein traditionellerer Röntgendetektor mit einem engeren Sichtfeld. FXT bietet detailliertere Nahbeobachtungen der von WXT entdeckten Transienten.
Auch wenn es sich noch in der Testphase befindet, beweist insbesondere WXT bereits seinen Zweck. Auf dem Symposium in Peking wurde bekannt, dass WXT am 19. Februar seine erste Röntgentransiente entdeckt hat, ein Ereignis, das mit einem langen Gammastrahlenausbruch in Verbindung steht, der durch die Zerstörung eines massereichen Sterns erzeugt wurde. Seitdem hat WXT weitere 141 Transienten entdeckt, darunter 127 Sterne, die Röntgeneruptionen auslösen.
Der Kugelsternhaufen Omega Centauri, aufgenommen mit dem Follow-up-Röntgenteleskop der Einstein-Sonde. Die Röntgenstrahlen werden von Doppelsternsystemen emittiert, in denen Material von einem Stern auf einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch trifft. (Bildnachweis: Chinesische Akademie der Wissenschaften)
FXT war während dieser Testphase auch mit der Verfolgung eines Röntgentransienten beschäftigt, der am 20. März entdeckt wurde – und zwar von WXT – sowie mit der Abbildung mehrerer bekannter Objekte im Röntgenlicht, darunter ein Supernova-Überrest namens Puppis A und der riesige Kugelsternhaufen Omega Centauri.
„Ich freue mich über die ersten Beobachtungen der Einstein-Sonde, die zeigen, dass die Mission in der Lage ist, weite Bereiche des Röntgenhimmels zu untersuchen und schnell neue Himmelsquellen zu entdecken“, sagte Carole Mundell, die Direktorin für Wissenschaft der Europäischen Weltraumorganisation, in einer Erklärung. „Diese frühen Daten geben uns einen verlockenden Einblick in das dynamische Hochenergie-Universum, das bald in Reichweite unserer wissenschaftlichen Gemeinschaften sein wird.“
Eine Illustration der Einstein-Sonde im Weltraum. (Bildnachweis: Chinesische Akademie der Wissenschaften)
„Es ist erstaunlich, dass wir, obwohl die Instrumente noch nicht vollständig kalibriert waren, mit dem FXT-Instrument bereits eine zeitkritische Folgebeobachtung eines schnellen Röntgentransienten durchführen konnten, der zuerst von WXT entdeckt wurde“, fügte Erik Kuulkers hinzu, der bei der Europäischen Weltraumorganisation für Einstein Probe zuständig ist. „Das zeigt, wozu Einstein Probe während seiner Durchmusterung in der Lage sein wird.“
Diese Untersuchung wird zunächst drei Jahre dauern und soll im Juni dieses Jahres beginnen, sobald die Tests offiziell abgeschlossen sind. Die auf dem jüngsten Symposium veröffentlichten Daten sind ein Vorgeschmack auf das, was wir erwarten können.
Der Supernova-Überrest Puppis A, aufgenommen mit dem Follow-up-Röntgenteleskop der Einstein-Sonde. (Bildnachweis: Chinesische Akademie der Wissenschaften)
Einstein Probe ist eine Zusammenarbeit zwischen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Europäischen Weltraumorganisation, aber auch dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Deutschland und dem Nationalen Zentrum für Weltraumstudien (CNES) in Frankreich. Seine Entdeckungen werden einen riesigen Katalog von Objekten für die bevorstehende europäische Mission NewAthena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics) liefern, die sich derzeit in der Studienphase befindet. Dieses Instrument, das als das leistungsstärkste jemals gebaute Röntgenteleskop geplant ist, soll um 2037 starten.
