Weltraumteleskop Spitzer: Den Himmel mit Infrarot scannen

Ein Bild der NASA

Das Spitzer-Teleskop der NASA späht durch den Staub im Universum, um den Infrarothimmel zu sehen. (Bildnachweis: Spitzer Science Center)





Das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA beobachtete das Universum mehr als 16 Jahre lang im Infrarotlicht, von kurz nach seinem Start im Jahr 2003 bis zu seiner lang anhaltenden Mission, die von Fluglotsen im Jahr 2020 eingestellt wurde. Spitzer war das letzte der großen NASA-Observatorien, das sah vier spezialisierte Teleskope (einschließlich der Hubble-Weltraumteleskop ) zwischen 1990 und 2003 gestartet. Spitzer umkreist weiterhin die Sonne, ist jedoch nicht mehr betriebsbereit.

Das Ziel der Großen Observatorien war es, das Universum in komplementären Lichtwellenlängen zu beobachten. Spitzer wurde für Infrarotwellenlängen entwickelt, die normalerweise die Wärmestrahlung von Objekten darstellen. Die anderen Observatorien untersuchten sichtbares Licht (Hubble, noch in Betrieb), Gammastrahlen (Compton Gamma-Ray Observatory, nicht mehr in Betrieb) und Röntgenstrahlen (das Chandra X-Ray Observatory, noch in Betrieb).

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'Die hochempfindlichen Instrumente von Spitzer ermöglichen es Wissenschaftlern, in kosmische Regionen zu blicken, die vor optischen Teleskopen verborgen sind, darunter staubige Sternkinderstuben, Zentren von Galaxien und neu entstehende Planetensysteme.' Die NASA schrieb auf der Spitzer-Website . 'Spitzers Infrarotaugen ermöglichen es Astronomen auch, kühlere Objekte im Weltraum zu sehen, wie ausgefallene Sterne (braune Zwerge), extrasolare Planeten, riesige Molekülwolken und organische Moleküle, die das Geheimnis des Lebens auf anderen Planeten bergen könnten.'

Infrarotlicht wird von jedem Objekt abgegeben, das eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt hat (null Kelvin, ungefähr minus 460 Grad Fahrenheit oder minus 273 Grad Celsius). Aber unser Himmel filtert viele Infrarotwellenlängen heraus, was Astronomen dazu veranlasst, nach Möglichkeiten zu suchen, Weltraumteleskope zu schicken, um den Rest einzufangen.

Das Teleskop ist benannt nach Lyman Spitzer jr. , einem Astrophysiker, der laut einer NASA-Biographie wichtige Beiträge in den Bereichen stellare Dynamik, Plasmaphysik, thermonukleare Fusion und Weltraumastronomie geleistet hat. Spitzer war der erste, der die Idee vorschlug, ein großes Teleskop im Weltraum zu platzieren, und war die treibende Kraft hinter der Entwicklung des Hubble-Weltraumteleskops.



Galerie: Das Infrarot-Universum vom Spitzer-Teleskop gesehen

Eine Montage von Bildern der NASA

Eine Montage von Bildern, die das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA im Laufe der Jahre aufgenommen hat.(Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)



Der lange Weg zur Startrampe

Die ersten Infrarot-Teleskope flogen auf Fahrzeugen wie Lear-Jets und Höhenforschungsraketen auf kurzen Flügen, die den größten Teil der Atmosphäre überragten, laut Spitzer-Website der NASA . 1979 schlug die NASA eine Shuttle Infrared Space Telescope Facility (SIRTF) vor, die mit dem Space Shuttle fliegen sollte. Damals ging man davon aus, dass Shuttle-Missionen 30 Tage dauern und wöchentliche Flüge stattfinden würden, eine optimistische Prognose, die weit über das hinausgeht, was das Programm erreicht hat. Später wurde auch entdeckt, dass Shuttle-Dämpfe den Teleskopbetrieb stören würden.

Unterdessen arbeiteten die NASA, das Vereinigte Königreich und die Niederlande an einem Infrarotteleskop namens The Infrared Astronomical Satellite (IRAS), das 1983 10 Monate lang mit großem Erfolg flog und Rufe nach einer Folgemission auslöste. Die NASA beschloss, ihr SIRTF in ein frei fliegendes Konzept umzuwandeln, und änderte den Namen in Space Infrared Telescope Facility (das Akronym blieb unverändert).

Der Infrarot-Astronomische Satellit (IRAS) umkreist in dieser Abbildung die Erde.

In dieser Abbildung umkreist der Infrarot-Astronomische Satellit (IRAS) die Erde.(Bildnachweis: NASA)

1991 charakterisierte ein Bericht des US-amerikanischen National Research Council die 1990er Jahre als 'das Jahrzehnt des Infrarots' in der Astronomie. Der Rat empfahl der NASA den Bau von drei Infrarotteleskopen: SIRTF; ein flugzeuggestütztes Teleskop namens SOFIA; und ein Infrarot-Bodenteleskop für Mauna Kea, Hawaii. Nach diesem Bericht wurde das Budget der NASA gekürzt. Infolgedessen durchlief das SIRTF-Design zwei große Überarbeitungen, bei denen es von einem 2,2-Milliarden-Dollar-Observatorium zu einem Observatorium mit einem Bauaufwand von etwa einer halben Milliarde Dollar geändert wurde.

Als es schließlich gebaut wurde, ist das Spitzer-Weltraumteleskop etwa 4 Meter lang und wiegt etwa 1900 Pfund. (865 Kilogramm). Das optische Herzstück des Instruments ist ein Teleskop mit einem Hauptspiegel von 33,5 Zoll (0,85 m) Durchmesser. Im Flug wurde die Ausrichtung des Raumfahrzeugs kontrolliert, um das Teleskop im Schatten der großen Sonnenkollektoren des Raumfahrzeugs zu halten.

Kasse dieses Bild vom Hubble-Teleskop, das im Infraroten erneut untersucht wurde.

Trotz Budgetkürzungen und einer dramatischen Neugestaltung rettete eine Reihe innovativer technischer Entscheidungen die wissenschaftliche Integrität von Spitzer, laut NASA . Zu diesen Entscheidungen gehörten ein warmer Start für die kryogenen Instrumente von Spitzer und eine einzigartige Umlaufbahn.

Die Idee des „warmen Starts“ bezieht sich auf eine wichtige Anforderung an ein Infrarotteleskop: Es muss so kalt wie möglich sein, damit seine Messungen und Bilder nicht durch Infrarotstrahlung der Teleskopstruktur selbst überlagert werden. Während seiner Hauptmission wurden Spitzers Instrumente durch eine Zufuhr von flüssigem Helium etwa 5 Grad über dem absoluten Nullpunkt (-450 Grad Fahrenheit oder -268 Grad Celsius) gehalten. Aber um die Kosten für den Startvorgang einzusparen, begann das Heliumsystem das Teleskop erst dann aktiv zu kühlen, nachdem Spitzer mehrere Monate im Weltraum verbracht hatte und so viel wie möglich 'passiv' gekühlt hatte, indem es langsam Wärme in den Weltraum abstrahlte.

Spitzers einzigartige Umlaufbahn ist ein erdverlaufender Pfad, der um die Sonne geht, nicht um die Erde. Im Laufe der Jahre durfte Spitzer treiben immer weiter von der Erde entfernt , so dass die Infrarotstrahlung der Erde die empfindlichen Beobachtungen nicht stören würde.

Beim Start verfügte das Teleskop über drei Instrumente: eine Infrarot-Array-Kamera (IRAC), einen Infrarot-Spektrographen und ein Multiband-Photometer.

Eine Infografik, die zeigt, wie die NASA

Eine Infografik, die zeigt, wie das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA mit bodengestützten Teleskopen arbeitet, um entfernte Exoplaneten zu finden, wobei eine Technik namens Mikrolinsen verwendet wird.(Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Spitzers drei Karrieren

Spitzer wurde am 25. August 2003 mit einer Delta-Rakete (kein Space Shuttle) gestartet. Das Teleskop wurde vier Monate nach dem Start offiziell von der technischeren SIRTF in das Spitzer-Weltraumteleskop umbenannt, als sich herausstellte, dass es ordnungsgemäß funktionierte.

Es stellte sich heraus, dass Spitzers Beobachtungsleben drei Phasen hatte: die „kryogene“ (kalte) Phase, in der die Instrumente wie ursprünglich geplant durch flüssiges Helium gekühlt wurden; die „warme“ Phase, die 2009 begann, nachdem das flüssige Helium aufgebraucht war; und die „Beyond“-Phase von 2016 bis 2020.

Die Mission sollte ursprünglich zweieinhalb Jahre dauern, wobei die kryogenen Instrumente funktionieren. Durch den sparsamen Einsatz des flüssigen Helium-Kühlmittels verlängerten die Ingenieure die kryogene Phase auf fünfeinhalb Jahre.

„Wenn es nur zweieinhalb Jahre gedauert hätte, hätten wir unsere Missionsziele erreicht. Wir waren begeistert von fünf“, sagte Sean Carey, Manager des Spitzer Science Centers öffentliche Lesung .

Im Mai 2009 war das flüssige Helium endgültig ausgegangen. Spitzer war wieder bei der passiven Kühlung. Die Instrumententemperaturen stiegen um einige Grad auf etwa 30 Kelvin (243 Grad unter Null in Celsius, 406 unter in Fahrenheit). Aber selbst wenn es „warm“ ist, könnte Spitzer immer noch zwei Kanäle seiner Infrarotkamera verwenden, um Ziele wie Asteroiden in unserem Sonnensystem, staubige Sterne, planetenbildende Scheiben, Gasriesenplaneten und ferne Galaxien zu beobachten eine Pressemitteilung der NASA zu Beginn der Warmphase ausgegeben. Darüber hinaus war Spitzer immer noch in der Lage, durch den Staub zu sehen, der unsere Galaxie durchdringt und die Sicht des sichtbaren Lichts blockiert.

Im Jahr 2016, Die NASA gewährte Spitzer eine weitere zweieinhalbjährige Missionsverlängerung , was die sogenannte „Beyond“-Phase einleitet. Da Spitzer jetzt weit hinter der Erde in seiner Umlaufbahn ist, musste das Teleskop in neue Winkel gedreht werden, um genügend Sonnenlicht auf seinen Sonnenkollektoren zu halten, während die Kommunikation mit der Erde aufrechterhalten und die Instrumente so kalt wie möglich gehalten werden. Diese Situation erforderte, dass Ingenieure Sicherheitsverfahren neu schreiben mussten, die ursprünglich entwickelt wurden, um Spitzer vor der Hitze der Sonne zu schützen. Während dieser Phase richteten Astronomen Spitzer auf Ziele, für die es ursprünglich nicht gedacht war, wie das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, Galaxien im frühen Universum und Exoplaneten.

Diese neue Ansicht zeigt den von der NASA gesehenen Carina-Nebel

Der Carina-Nebel, gesehen vom Spitzer-Weltraumteleskop der NASA. Der helle Stern im Zentrum des Nebels ist Eta Carinae, einer der massereichsten Sterne der Galaxie. Sein blendender Glanz formt und zerstört den umgebenden Nebel. Bild veröffentlicht am 23. August 2013.(Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

'Die Wissenschaft ist jetzt, würde ich sagen, in gewisser Weise besser, weil die Ideen der Menschen besser sind, weil wir jedes Jahr mehr über das Universum lernen', sagte Carey während der 'Beyond'-Phase.

Ursprünglich hatte die NASA geplant, Spitzers Mission im Jahr 2018 zu beenden, um den Start des James Webb-Weltraumteleskops (JWST) vorwegzunehmen. Dieses Instrument wäre ein Sprung nach vorne in der Infrarot-Beobachtungstechnologie gewesen. Als JWST verschoben wurde, wurde Spitzer verlängert, erreichte jedoch schließlich einen Punkt, der von Managern als zu weit über das hinaus erachtet wurde, wofür es vorgesehen war. Das Missionsteam beendete den wissenschaftlichen Betrieb und versetzte das Raumschiff am 30. Januar 2020 in den dauerhaften Winterschlaf.

Wichtige Entdeckungen

Spitzers Beobachtungen reichten von unserem eigenen Sonnensystem bis nahe an die Grenze des beobachtbaren Universums.

Zu Beginn seiner Mission beobachtete Spitzer den Kometen Tempel 1, während eine NASA-Raumsonde namens Deep Impact absichtlich in den Kometen geschlagen wurde. Der Einschlag schleuderte Kometenmaterial ins All, und Spitzers Instrumente analysierten seine Zusammensetzung. Der Treffer enthüllte laut a . eine überraschende Mischung aus Ton, Karbonaten und kristallisierten Silikaten Pressemitteilung der NASA aus dem Jahr 2005 . Da angenommen wird, dass sich diese Chemikalien in warmen Umgebungen gebildet haben, wie denen in der Nähe der Sonne, war ihre Anwesenheit in einem kühlen Kometen unerwartet und könnte das Ergebnis einer frühen Vermischung des Sonnensystems gewesen sein.

Dieses Bild wurde von der NASA-Raumsonde Deep Impact 67 Sekunden nach dem Einschlag der Impaktorsonde der Mission in den Kometen Tempel 1 am 4. Juli 2005 aufgenommen.

Dieses Bild wurde von der NASA-Raumsonde Deep Impact 67 Sekunden nach dem Einschlag der Impaktorsonde der Mission in den Kometen Tempel 1 am 4. Juli 2005 aufgenommen.(Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/UMD)

2009 fand Spitzer einen riesigen Ring um den Saturn, der zuvor verborgen geblieben war. Der Ring reflektiert nicht genug sichtbares Licht, um von der Erde aus gesehen zu werden, aber es ist warm genug, damit Spitzers Infrarotdetektoren es sehen können. Die Ringpartikel füllen eine Zone, die sich von 3,7 Millionen bis 7,4 Millionen Meilen (6 Millionen bis 12 Millionen Kilometer) vom Planeten erstreckt, und stammen laut NASA wahrscheinlich von einem kleinen, entfernten Saturnmond namens Phoebe.

Eines der schönsten Produkte Spitzers war ein Multi-Gigabyte-Panoramabild unserer Milchstraße, das 2014 veröffentlicht wurde. Der schmale Streifen, der das gesamte Band der Milchstraße am Himmel abdeckt, zeigt staubige Bereiche der Sternentstehung, die als Ranken und Blasen strukturiert sind. Da Spitzers Infrarotkamera durch Staubwolken blicken kann, um Sterne zu sehen, enthält das Bild mehr als die Hälfte aller Sterne in der Milchstraße, einschließlich der Sterne auf der anderen Seite der Galaxie, erklärte die NASA in einer begleitenden Pressemitteilung . Die 360-Grad-Ansicht besteht aus über 2 Millionen Schnappschüssen, die Spitzer über zehn Jahre aufgenommen hat, beginnend im Jahr 2003.

Spitzer untersuchte viele Galaxien jenseits der Milchstraße. Zu den Highlights gehörten eine auffallende neue Ansicht der Scheibe in der ikonischen Galaxie 'Sombrero' und mit dem Hubble-Weltraumteleskop die Beobachtung von GN-z11, die bisher am weitesten entfernte Galaxie , gesehen durch Licht, das es aussendete, als das Universum nur drei Prozent seines heutigen Alters hatte.

Spitzer wurde nicht entwickelt, um extrasolare Planeten zu betrachten, aber es stellte sich heraus, dass das Teleskop auch sehr nützlich war, um uns andere Sonnensysteme als unser eigenes zu betrachten.

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'Das Teleskop war das erste, das Licht von einem Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdeckte, eine Leistung, die nicht im ursprünglichen Design der Mission enthalten war', NASA schrieb in einer Pressemitteilung von 2013 . 'Mit Spitzers laufenden Studien dieser exotischen Welten konnten Astronomen ihre Zusammensetzung, Dynamik und mehr untersuchen und die Erforschung der Atmosphären von Exoplaneten revolutionieren.'

Dazu gehört sogar die Kartierung von Klimamustern auf a kleinere Supererde , eine Entdeckung, die das Spitzer-Team 2016 bekannt gab. Darüber hinaus bestätigte Spitzer a sehr naher felsiger Planet — nur 21 Lichtjahre entfernt — im Jahr 2015, was erneut zeigt, zu welchen Fähigkeiten das Teleskop fähig ist.

Die fast randständige Galaxie NGC 5746 ist in Fotografien mit sichtbarem Licht teilweise verdeckt, was eine genaue Klassifizierung unmöglich macht. Dieses Bild des Spitzer-Weltraumteleskops zeigt die Galaxie

Die fast randständige Galaxie NGC 5746 ist in Fotografien mit sichtbarem Licht teilweise verdeckt, was eine genaue Klassifizierung unmöglich macht. Dieses Bild des Spitzer-Weltraumteleskops enthüllt die wahre Natur der Galaxie und zeigt einen dramatischen Ring aus warmem Staub, der den hellen Kern der Galaxie umgibt.(Bildnachweis: NASA/Spitzer; Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

Da Spitzer weit von der Erde entfernt war, war eine seiner Stärken die Fähigkeit, viele Stunden auf ein Ziel zu starren, ohne von der Erde blockiert zu werden. Dies half beim Verständnis des Exoplanetensystems TRAPPIST-1, auf dem erdbasierte Teleskope bereits drei Planeten gefunden hatten. Indem Sie das System auf beobachten 500 Stunden an 21 Tagen , konnte Spitzer genügend Daten sammeln, um zu zeigen, dass das System nicht nur drei, sondern sieben Planeten enthält. Durch sorgfältiges Timing der Umlaufbahnen der Planeten konnte Spitzer ihre Massen und Dichten messen, die Hinweise auf ihre Zusammensetzung geben. Dank Spitzer 'wissen wir jetzt mehr über das TRAPPIST-1-System als jedes andere Sonnensystem außer unserem eigenen', sagte Varoujan Gorjian, Spitzer-Forschungswissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory in ein Vortrag am Ende der Mission .

Kasse was wir über das TRAPPIST-1-System wissen .

Obwohl Spitzers Beobachtungstage vorbei sind, geben Astronomen weiterhin neue Erkenntnisse auf der Grundlage der gesammelten Daten bekannt. Zum Beispiel im Oktober 2020, NASA angekündigt dass Spitzer-Beobachtungen verwendet wurden, um die Temperatur und die atmosphärische Zusammensetzung des Exoplaneten LTT9779b zu messen, einem seltenen Typ, der als 'heißer Neptun' bezeichnet wird und erst kürzlich von einem anderen Weltraumteleskop, dem Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA, entdeckt wurde.

Zusätzliche Ressourcen:

Dieser Artikel wurde am 3. November 2020 von Steve Fentress, einem Mitarbeiter von guesswhozoo.com, aktualisiert.