Die NASA hat gelernt, Pikometerverzerrungen in der Teleskopoptik dynamisch zu beseitigen

Im "Reinraum" des Goddard Space Flight Center öffnen Techniker einen segmentierten Spiegel des James Webb Observatory, um sich auf den Ausrichtungstest im Sommer 2016 vorzubereiten. Foto: NASA / Chris Gunn

Um die Eigenschaften von Dutzenden erdähnlicher Exoplaneten zu finden und zu bestimmen, ist ein sehr stabiles Weltraumteleskop erforderlich, dessen optische Komponenten das Bild um nicht mehr als einige Pikometer bewegen und verzerren - dies ist weniger als die Größe eines Atoms. Es werden auch Werkzeuge der neuen Generation benötigt, die dieses Maß an Stabilität gewährleisten können. Vor anderthalb Jahren stellte die NASA einer Forschungsgruppe im Goddard Space Flight Center und der 4-D-Technologie Mittel zur Verfügung , um ein Hochgeschwindigkeitsinterferometer zu entwickeln, das die Pikometerstabilität des Teleskops gewährleistet. Niemand konnte dieses Problem zuvor lösen.

Wie bei allen Interferometern ist hier der Lichtstrahl in mehrere kohärente Strahlen unterteilt. Jeder von ihnen geht seinen eigenen Weg und vereinigt sich dann wieder, wodurch ein Interferenzmuster entsteht, mit dem die Phasendifferenz der Störstrahlen an einem bestimmten Punkt im Bild ermittelt werden kann. So können Sie die geringste Bewegung oder Verschiebung des Materials registrieren. Ein solches Interferometer wurde verwendet, um 18 Spiegel des James Webb Observatory auszurichten.

Die NASA entschied, dass es nicht ausreicht, nur die Oberfläche der Spiegel zu messen. Aus diesem Grund hat das Goddard Space Flight Center zusammen mit der 4-D-Technologie ein fortschrittliches dynamisches Laserinterferometer entwickelt, das gleichzeitig die Verschiebungen von Spiegeln, aber auch deren Halterungen und anderen strukturellen Komponenten unter Vibrations-, Geräusch- oder Luftturbulenzbedingungen aufzeichnet. Das Instrument war vier Größenordnungen genauer als jede ähnliche Technik zu dieser Zeit. Kurz nach seiner Erstellung wurde das Instrument sofort in den Labors, Reinräumen und Testkammern aller Projektteilnehmer eingesetzt.

Aber auch dies reichte nicht aus, um Weltraummissionen wie LUVOIR (Large UV Optical Infrared Surveyor) durchzuführen. Das Konzept geht davon aus, dass große Spiegel mit einem Durchmesser von 8 bis 18 m sowohl den ultravioletten als auch den sichtbaren und den infraroten Wellenlängenbereich abdecken. LUVOIR-Teleskope können die Struktur und Oberflächenzusammensetzung von Exoplaneten analysieren sowie schwache zirkumstellare Scheiben entfernen, um eine Vorstellung davon zu erhalten, wie sich die Planeten bilden. Darüber hinaus können solche Teleskope Biosignaturen in der Atmosphäre entfernter Exoplaneten bestimmen: den Gehalt an CO ₂ , CO, molekularem Sauerstoff (O ₂ ), Ozon (O ₃ ), Wasser (H ₂ O) und Methan (CH ₄ ).

Das gleichzeitige Aufnehmen in verschiedenen LUVOIR-Spektren hilft zu verstehen, wie die UV-Strahlung des Muttersterns die atmosphärische Photochemie auf bewohnten Planeten reguliert.

Am 25. Januar 2018 kündigte eine Forschungsgruppe am Goddard Space Flight Center die Schaffung eines Tools an , das die Genauigkeit von Pikometern ermöglicht. Dieses erste seiner Art einzigartige Instrument dieser Art - Speckle Interferometer (Speckle Interferometer).


Optikexperten des Goddard Center Babak Salf (links) und Lee Feinberg (rechts) entwickelten mit Hilfe des Ingenieurs Eli Gri-MacMahon (Mitte) von Genesis das ultra-stabile thermische Vakuumsystem, das zum Testen verwendet wird Interferometermessungen mit einer Genauigkeit von 12 Pikometern

Wissenschaftler haben gezeigt, dass das neue Interferometer Verschiebungen auf einem 1,5 Meter langen segmentierten Spiegel des Teleskops und seiner Tragstruktur mit einer Genauigkeit von 25 Pikometern dynamisch aufzeichnen kann.

Solche Verschiebungen der atomaren Skala in einzelnen Abschnitten des Spiegels können aufgrund von Temperaturänderungen oder infolge eines „ungenauen“ Transports von der Erde auftreten, wenn die Trägerrakete mit einer Beschleunigung von 6,5 g beschleunigt. Wissenschaftler sagen, dass bereits eine Verschiebung um ein Atom die Genauigkeit der Messungen der Atmosphäre und der Oberfläche entfernter Exoplaneten beeinflusst.

Die Entwickler werden das Interferometer nun in einer ultrastabilen thermischen Vakuumanlage testen - und prüfen, ob es in der Lage ist, Verschiebungen von 12 Pikometern, dh 1/10 des Durchmessers eines Wasserstoffatoms, zu erfassen.