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Eine wissenschaftliche Visualisierung der XRISM-Sonde im Weltraum (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Vor dem Büro von Hiroya Yamaguchi steht eine Tafel voller explodierter Sterne, Raumschiffschemata und Spektrallinien. Die A4-Ausdrucke verdecken fast den gesamten freien Raum, bis auf eine winzige Ecke, in die er manchmal mit weißer Kreide kritzelt. In diesem Moment steht Yamaguchi, ein außerordentlicher Professor am japanischen Institut für Weltraum- und Raumfahrtwissenschaften, vor dieser Tafel und schaut mich an.

Er gibt mir einen Crashkurs über die X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM), eine Partnerschaft zwischen der NASA, der japanischen Raumfahrtbehörde (JAXA) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Das erste, was ich erfahre, ist, dass ich den Namen des Teleskops die ganze Zeit falsch geschrieben habe. Zum Glück habe ich meistens das falsche „ex-riz-um“ in meinem Kopf wiederholt. Man spricht es eigentlich „criz-um“ aus.

Das zweite ist, dass dieses Weltraumteleskop am 6. September 2023 gestartet wurde und das schwerste Gewicht von allen trägt: Die Erwartung.

Die beiden vorherigen Röntgenteleskope der JAXA, Suzaku und Hitomi, hatten beide nach dem Start Probleme. Suzakus Spektrometer hatte nach dem Start eine Fehlfunktion, aber es konnte eine zehn Jahre dauernde Bildgebungsmission durchführen. Bei Hitomi kam es zu einer Katastrophe: Nachdem sie ihr erstes Lichtbild aufgenommen hatte, geriet die Sonde unkontrolliert ins Trudeln und brach auseinander. Bisher hat XRISM laut Yamaguchi gut funktioniert und den Wissenschaftlern seit dem ersten Licht im Januar bereits eine Fülle von Daten geliefert – darunter auch einige Entdeckungen, die niemand erwartet hatte.

„Es gibt so viele Überraschungen“, lacht Yamaguchi und blickt auf die verschiedenen Ausdrucke, die an der Tafel kleben.

Es gibt allerdings ein kleines Problem.

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Zunächst die gute Nachricht: Das Hauptinstrument des Teleskops, ein Spektrometer für weiche Röntgenstrahlung mit dem Namen Resolve, funktioniert wie erwartet. Die etwas schlechtere Nachricht: Eine Klappe, die Resolve abdeckt, hat sich nicht geöffnet. Mehrere Versuche, die Tür – oder das „Torventil“ – zu öffnen, sind fehlgeschlagen. Trotz Berichten, die darauf hindeuten, dass JAXA und NASA beschlossen haben, die Sonde mindestens 18 Monate lang so zu betreiben, wie sie ist“, sagte mir Yamaguchi, dass dies noch nicht offiziell beschlossen wurde“.

Ein NASA-Sprecher bestätigte: „Die NASA und JAXA diskutieren weiterhin über den besten Weg zum Betrieb von XRISM; die derzeitige, führende Option ist es, in den nächsten 18 Monaten wissenschaftliche Daten zu sammeln, bevor ein weiterer Versuch unternommen wird, das Ventil zu öffnen, aber die Behörden werden weiterhin Alternativen prüfen.“

Da die Tür geschlossen ist, ergibt sich für Missionsspezialisten und Röntgenastronomen eine faszinierende „Was wäre wenn“-Situation. Einerseits arbeitet die Sonde hervorragend und zeigt, dass sie in der Lage ist, einen Haufen neuer, interessanter Daten zu liefern. Der Versuch, die Tür zu öffnen, birgt das Risiko, die Sonde zu beschädigen. Auf der anderen Seite könnte das Öffnen der Tür unser Verständnis des Universums grundlegend verändern.

(Links) Das NASA/JAXA-Röntgenteleskop XRISM; (rechts) das 6 mal 6 Pixel große Mikrokalorimeter-Array im Herzen von Resolve, einem Instrument auf XRISM. (Bildnachweis: NASA/XRISM/Caroline Kilbourne/JAXA/Robert Lea (erstellt mit Canva))

Auflösen für ‚X‘

Röntgenstrahlen bieten die Möglichkeit, einige der energiereichsten Phänomene im Universum zu erforschen – aber da die Erdatmosphäre Röntgenstrahlen blockiert, sind weltraumgestützte Teleskope eine Voraussetzung.

„Wir enträtseln die Zusammensetzung des Universums“, sagt Aurora Simionescu, Astrophysikerin am Niederländischen Institut für Weltraumforschung, zu mir. „Das ist es, was Röntgenstrahlen tun.“

Es gibt derzeit mehr als ein Dutzend Röntgenteleskope im Weltraum, wobei das Chandra-Observatorium der NASA, eines der so genannten Großen Observatorien, aufgrund der unglaublichen Einblicke in das Röntgenuniversum vielleicht das bekannteste ist. XRISM hofft, mit seiner Fähigkeit, die bisher detailliertesten Röntgenspektren zu sehen, ein ähnliches Erbe anzutreten. Yamaguchi weist jedoch darauf hin, dass Chandra und XRISM zwar denselben Teil des elektromagnetischen Spektrums beobachten, dies aber auf unterschiedliche Weise tun sollen. Das liegt vor allem an den Instrumenten an Bord.

Resolve ist ein so genanntes Mikrokalorimeterspektrometer. Das Detektionsgerät wandelt Röntgenstrahlen in Wärme um und misst winzige Temperaturänderungen – wir sprechen hier von Änderungen in Millikelvins -, um die Anzahl und Energie der Röntgenstrahlen zu bestimmen, die aus einem bestimmten Bereich des Weltraums kommen. Die Energie wird in Elektronenvolt (eV) gemessen.

Das Instrument muss daher auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Das ist sogar kälter als der kosmische Mikrowellenhintergrund, eine Reststrahlung aus dem Beginn der Zeit. Diese Strahlung ist über unser gesamtes Universum verstreut, aber für das menschliche Auge unsichtbar, weil sie absolut kalt ist. „Im Grunde genommen sind Sie fast 30 Mal kälter als der kälteste Teil des Weltraums“, sagt Simionescu. Der extreme Kühleffekt wird durch chemische und mechanische Mittel erreicht.

Chandra verwendet eine andere Art von Röntgendetektor, nämlich eine Anordnung von ladungsgekoppelten Bauelementen (CCDs). Dadurch werden die Röntgenphotonen in Elektronen und nicht in Wärme umgewandelt.

Die Messung der Energie ist besonders nützlich, weil man die Anzahl der Röntgenstrahlen, die das Teleskop erreichen, gegen ihr Energieniveau auftragen kann – was die Forscher ein „Spektrum“ nennen. XRISM’s Resolve hat in diesem Fall einen Vorteil. Es ist in der Lage, Energien zu messen, die etwa 20 bis 30 Mal höher sind als bei Chandra, und das mit einer höheren Auflösung. „Dadurch kann XRISM die atomare Physik und die Geschwindigkeitsstruktur der Röntgenquellen viel detaillierter untersuchen“, sagt Patrick Slane, Direktor des Chandra-Röntgenzentrums.

Suzukis Spektrum eines Supernova-Überrests im Vergleich zu XRISMs Version. Sehen Sie, wie XRISM in der Lage ist, feine Details zu erkennen, die Suzuki nicht aufspüren konnte? (Bildnachweis: JAXA)

Chandra hat jedoch auch seine eigenen Vorteile. Er ist mit den hochwertigsten Röntgenspiegeln ausgestattet, die je gebaut wurden, sagt Slane, was bedeutet, dass seine Abbildungsqualität die von XRISM weit übertrifft. Der Schlüssel dazu ist, dass die Spiegel Chandra eine Winkelauflösung von 0,5 Bogensekunden verleihen, was es Chandra im Wesentlichen ermöglicht, zwischen nahe beieinander liegenden Objekten am Himmel zu unterscheiden. Vergleichen Sie das mit XRISM, das eine Winkelauflösung von 1,7 Bogenminuten hat.

Dank dieser technischen Meisterleistung kann Chandra laut Slane Punktquellen im Röntgenbereich etwa 200-mal leichter aufspüren als XRISM. In der Praxis macht dies das NASA-Teleskop extrem nützlich für die Fokussierung auf diese Punktquellen – entfernte, kleinere Ziele wie Neutronensterne, Planeten und Kometen. XRISM ist gut für „ausgedehnte“ Ziele, wie das diffuse Gas zwischen und innerhalb von Galaxien.

Was uns schließlich zu XRISMs Absperrschieber bringt: Die geschlossene Tür verhindert, dass Röntgenstrahlen niedriger Energie den Detektor erreichen. Derzeit erforscht das Teleskop weiterhin das hochenergetische Röntgenuniversum, da diese Wellenlängen nicht durch das Tor-Dilemma beeinträchtigt werden – Yamaguchi und Simionescu sagen sogar, dass es bereits fantastische Ergebnisse bei höheren Energien liefert.

Aber wenn die Tür endgültig klemmt, müssen die Wissenschaftler damit rechnen, dass Teile unseres Kosmos unzugänglich bleiben… zumindest, bis ein anderes Röntgenteleskop auftaucht, was wahrscheinlich die Athena-Mission Mitte der 2030er Jahre sein wird.

XRISM-Gate

Das Schieberventil wurde entwickelt, um ein Beinahe-Vakuum im Kryostat des Teleskops aufrechtzuerhalten – im Wesentlichen der Kühlschrank, der dafür sorgt, dass die Instrumente extrem kalt bleiben – während XRISM auf der Erde stationiert war.

Sobald ein Teleskop die Umlaufbahn erreicht, ist die Aufrechterhaltung eines solchen Vakuums kein Problem mehr. Im Weltraum erzeugt der Raum selbst das Vakuum. Aus diesem Grund wurde das Schieberventil so konzipiert, dass es sich nach dem Start in zwei Schritten über eine Reihe von Aktuatoren öffnen lässt. Kurz gesagt, die Aktuatoren sollten zurückgleiten, damit sich die Tür – bestehend aus einem Berylliumfenster und einem Stahlnetz – öffnen konnte. Das ist aber nicht passiert.

Die JAXA hat bereits dreimal versucht, das Gerät zu öffnen, aber es hat sich nicht bewegt. Der nächste Versuch wäre weitaus riskanter, da das Raumfahrzeug möglicherweise von seinen extrem niedrigen Temperaturen aufgewärmt und durchgeschüttelt werden müsste. Das Ziel? Die Aktuatoren mit Gewalt zu lösen. Das ist ein Risiko, das die Raumfahrtbehörden, die XRISM betreiben, abwägen müssen. Bei geschlossenem Schieber sammeln sie bereits Daten. Und es sind sehr gute Daten.

„Das Schönste ist, wenn man sich die Daten ansieht und sie nicht so aussehen, wie man es erwartet hat – und das passiert mit den aktuellen XRISM-Daten“, sagt Simionescu.

Der Galaxienhaufen Abell 2319, der vom XRISM-Weltraumteleskop im Röntgenlicht aufgenommen wurde (in lila dargestellt). (Bildnachweis: JAXA/NASA/XRISM Xtend; Hintergrund, DSS)

Dennoch ist es ein harter Schlag für Simionescu. Ihr besonderes Interesse gilt der Untersuchung von Röntgenstrahlen aus „galaktischen Atmosphären“ – dem Material, für das XRISM gebaut wurde, um es bei offenem Schieber zu untersuchen. Wenn das Tor geschlossen ist, bleibt dieser Teil des Röntgenuniversums verschlossen. Sie ist mit der Entscheidung einverstanden, nicht zu riskieren, das Tor zu öffnen – zumindest im Moment. Aber das bedeutet nicht, dass es nicht schmerzhaft ist, zu wissen, was sein könnte.

„Ich bin absolut entsetzt, dass wir nicht unter 2 keV sehen können“, sagt Simionescu.

Und was könnte darunter liegen?

Einige Röntgenteleskope im Weltraum, wie das XMM-Newton der ESA, können Röntgenstrahlen mit niedrigerer Energie, bis hinunter zu 2 keV, sehen. So wurde beispielsweise der Coma-Haufen, der über 1.000 Galaxien enthält, bei Energien von nur 0,3 keV beobachtet. Und das andere Instrument von XRISM, Xtend, ist ebenfalls in der Lage, zu niedrigeren Energien hinabzusteigen. Aber auch hier handelt es sich um CCD-Detektoren, die für die Gewinnung von Spektren nicht so nützlich sind.

Abgesehen von XRISM gibt es kein Röntgenteleskop in der Erdumlaufbahn, das in der Lage ist, „ausgedehnte“ Objekte bei niedrigen Energien mit hoher Auflösung zu untersuchen, was für Simionescus Arbeit besonders wichtig ist.

Im Rahmen eines Online-Aufrufs zeigt sie ein Weitwinkel-Röntgenbild von M87, dem ersten schwarzen Loch, das von Menschen im sichtbaren Licht abgebildet wurde. Das Bild wurde von Chandra im Jahr 2019 aufgenommen.

„Das ist mein Lieblingsobjekt auf der Welt“, sagt sie aufgeregt.

Der Raum, der das Schwarze Loch umgibt, ist ein Strudel. Simionescus Mauszeiger hüpft am Himmel umher, während sie auf den großen Jet hinweist, der vom Schwarzen Loch ausgeht, sowie auf Bereiche mit dichtem Gas und einen langen Faden, der sich Lichtjahre weit in den Kosmos erstreckt. Sie beschreibt ein Diagramm der von Chandra bei M87 beobachteten Spektren – alle unterhalb von 2 keV – und stellt fest, dass es sich um ein „Sammelsurium“ von Emissionslinien von Sauerstoff, Neon, Nickel und anderen Gasen handelt.

Wenn das Tor offen ist, würde sich das ändern.

„Man könnte feststellen, wie das Gas zusammengesetzt ist, wie es sich bewegt, wie es vom Schwarzen Loch herausgedrückt wird – all das sind Informationen, die man im Moment nicht bekommen kann“, sagt sie.

Es ist interessant, den Sprung nach vorn mit XRISM vor dem Hintergrund der Ungewissheit zu betrachten, die die Chandra-Mission der NASA umgibt.

Leider könnte die Röntgenastronomie in naher Zukunft ohne Chandra sein. Dem Betrieb des Weltraumteleskops, der seit 25 Jahren andauert, drohen im Jahr 2024 extreme Budgetkürzungen. Astronomen sagen, dass das vorgeschlagene Budget zur Streichung der Mission führen würde.

„Wenn Chandra gestrichen werden sollte, würden wir eine enorme Ressource für die gesamte moderne Astrophysik verlieren“, sagt Slane.

Das wäre ein schmachvolles Ende für das große Observatorium, das für künftige Entdeckungen von unschätzbarem Wert ist, auch für die Zusammenarbeit mit XRISM. Wenn die JAXA ihre Tür öffnet, wird Chandra ein wichtiges Werkzeug sein, um die Beobachtungen von XRISM zu verfolgen.

Bis dahin werden die Geister von Suzaku und Hitomi bis zum nächsten Versuch, die Tür zu öffnen, weiterleben. Im Moment ist die Röntgenastronomie gespannt auf das, was noch kommen wird. Das Worst-Case-Szenario ist gar nicht so schlecht, je nachdem, wie man es betrachtet.

„Wir nehmen fantastische Daten auf, die noch nie jemand zuvor aufnehmen konnte“, sagt Simionescu. „Die Spektren sind alle absolut spektakulär.