Unglaubliche Technologie: Wie zukünftige Weltraummissionen nach fremden Planeten jagen können

Zukünftige NASA-Exoplaneten-Missionen

Ein Diagramm, das die Exoplaneten-Jagdmissionen der NASA zeigt, vom ehrwürdigen Hubble-Weltraumteleskop bis hin zu geplanten Missionen, die in etwa einem Jahrzehnt einsatzbereit sein sollen. (Bildnachweis: NASA)



Anmerkung des Herausgebers: In dieser wöchentlichen Serie , SPACE.com untersucht, wie Technologie treibt die Erforschung und Entdeckung des Weltraums an.

Das Kepler-Weltraumteleskop der NASA hat nach seinem Start im Jahr 2009 die Erforschung außerirdischer Welten revolutioniert, und eine Reihe anderer Missionen stehen nun bereit, das aufkeimende Feld in die Zukunft zu tragen.





In den nächsten zehn Jahren wollen die NASA und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) eine Handvoll Raumschiffe starten, die Tausende zusätzlicher Exoplaneten entdecken und einige der vielversprechendsten – die scheinbar erdähnlichsten – neuen Funde im Detail charakterisieren sollen.

Diese zukünftigen Missionen treten alle in die Fußstapfen von Kepler, dessen Beobachtungen gezeigt haben, dass die Milchstraße voller außerirdischer Planeten ist. Das Instrument hat bisher mehr als 3.500 Planetenkandidaten entdeckt; nur 167 von ihnen wurden bisher durch Folgebeobachtungen bestätigt, aber die Missionswissenschaftler erwarten, dass etwa 90 Prozent der Wahrheit entsprechen. [ Galerie: Eine Welt der Kepler-Planeten ]



Keplers ursprüngliche Planetenjagd-Aktivitäten endeten im vergangenen Mai, als das zweite seiner vier orientierungserhaltenden Reaktionsräder versagte und das Raumfahrzeug seiner ultrapräzisen Ausrichtungsfähigkeit beraubte. Aber das Instrument könnte seine Planetensuche in modifizierter und eingeschränkter Weise als Teil einer möglichen zukünftigen Mission namens K2 fortsetzen.

Es wird erwartet, dass die NASA Mitte nächsten Jahres eine endgültige Entscheidung über K2 und Keplers endgültiges Schicksal trifft. Bis dahin wird das erste Mitglied des Exoplaneten New Wave bereits in der Luft sein – Europas Mission Gaia.



Eine Künstlerin

Künstlerische Illustration des Gaia-Weltraumobservatoriums der ESA im Orbit.(Bildnachweis: ESA)

Gaia: Der Vermesser mit Milliarden Sternen

Die ESA-Raumsonde Gaia soll nächsten Monat von Französisch-Guayana aus starten; das Startfenster erstreckt sich vom 17. Dezember bis zum 5. Januar.

Gaia wird zu einem gravitationsstabilen Ort, etwa 900.000 Meilen (1,5 Millionen Kilometer) von der Erde entfernt, der Sonne-Erde Lagrange Point 2 genannt werden. In den nächsten fünf Jahren wird die Raumsonde wiederholt die Position, Bewegung und Helligkeitsänderungen von mehr als 1 Milliarde messen Milchstraße Sterne – etwa 1 Prozent der Gesamtheit der Galaxie.

'Diese riesige Sternzählung wird die Daten liefern, die benötigt werden, um eine enorme Bandbreite wichtiger Probleme im Zusammenhang mit dem Ursprung, der Struktur und der Evolutionsgeschichte unserer Galaxie anzugehen', schreiben ESA-Beamte in einer Beschreibung der Gaia-Mission. [ 7 Möglichkeiten, fremde Planeten zu entdecken ]

Die Exoplanetenforschung sollte eines der Gebiete sein, die davon profitieren. Die Gaia-Mission, deren Gesamtkosten 740 Millionen Euro (etwa 990 Millionen US-Dollar) betragen, könnte potenziell Zehntausende neuer Planetensysteme entdecken, sagen Forscher.

CHEOPS sucht nach Exoplaneten, indem es nach einem Helligkeitsabfall sucht, den sie verursachen, wenn sie vor ihrem Mutterstern vorbeiziehen.

CHEOPS sucht nach Exoplaneten, indem es nach einem Helligkeitsabfall sucht, den sie verursachen, wenn sie vor ihrem Mutterstern vorbeiziehen.(Bildnachweis: Universität Bern)

Cheops: Eine Nachfolgemaschine

Die ESA wird wahrscheinlich eine weitere Exoplaneten-Mission namens Cheops (kurz für CHaracterizing ExOPlanets Satellite ) starten, vier Jahre nachdem Gaia den Boden verlassen hat.

Wie Kepler wird Cheops nach Exoplaneten-„Transiten“ Ausschau halten und Daten sammeln, wenn außerirdische Welten aus der Perspektive des Instruments das Gesicht ihrer Muttersterne überqueren. Aber die Ähnlichkeiten enden meistens dort. Während Kepler mehr als 150.000 Sterne gleichzeitig anstarrte, zielt Cheops auf einen Stern nach dem anderen. Und ihr Hauptziel ist die Nachfolgeforschung bekannter Exoplaneten und nicht die Entdeckung bisher unbekannter Welten.

'Wenn man weiß, wann und auf welchen Stern zu schauen ist, wird Cheops extrem effizient bei der Charakterisierung von Exoplaneten mit geringer Masse durch die Messung genauer Radien und Dichten sein', sagte David Ehrenreich von der Universität Genf am 6. November während eines a Präsentation auf der zweiten Kepler Science Conference im Ames Research Center der NASA in Moffett Field, Kalifornien.

Ein weiteres wichtiges Ziel von Cheops, fügte Ehrenreich hinzu, sei das „Sammeln der „goldenen Ziele“ für eine zukünftige eingehende Charakterisierung, zum Beispiel durch die James Webb Weltraumteleskop . '

Die Gesamtkosten von Cheops belaufen sich auf etwa 134 Millionen Dollar (100 Millionen Euro), sagte Ehrenreich. Die formelle Annahme der Mission wird in den nächsten Monaten erwartet, der Start ist für Ende 2017 geplant.

Künstler

Der Transiting Exoplanet Survey Satellite

Die NASA entwickelt eine eigene Mission für den Start im Jahr 2017. Der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der Agentur zielt darauf ab, während seiner geplanten zweijährigen Betriebsdauer nach Planeten zu suchen, die die Antlitz von etwa 500.000 Sternen durchqueren.

Während Kepler etwa 1.000 Lichtjahre entfernte Sterne gescannt hat, wird die 200-Millionen-Dollar-TESS-Mission viel näher an der Heimat aussehen. Es wird sich auf Sterne in einem Umkreis von 100 Lichtjahren um die Erde konzentrieren, mit dem Ziel, Planeten zu finden, die mit zukünftigen Instrumenten wie dem James Webb Space Telescope (JWST) der NASA einfacher zu untersuchen und zu charakterisieren sind.

Und TESS soll viele neue Welten entdecken. Die Teammitglieder erwarten, ungefähr 315 so groß wie die Erde oder etwas größer zu finden, 710 Planeten, die etwas kleiner als Neptun sind, 1000 Neptun-ähnliche Welten und 660 Jupiter-Analoga, sagte der Forschungsleiter der Mission, George Ricker vom MIT, am 6. November auf der Kepler Science Conference .

'Es ist wirklich eine Brücke in die Zukunft', sagte Ricker über TESS. »Wir folgen wirklich ganz offensichtlich Kepler. Und da der Fokus auf der Bereitstellung von Zielen liegt, die optimal für die kontinuierliche Sichtzone für JWST geeignet sind, wird es eindeutig eine Verbindung zwischen der Bereitstellung von Informationen geben, die für diese Mission nützlich sind.'

Künstler

Künstlerische Darstellung des 8,8 Milliarden US-Dollar teuren James Webb-Weltraumteleskops der NASA, das 2018 starten soll.(Bildnachweis: ESA)

Hubbles lang erwarteter Nachfolger: JWST

Forscher setzen große Hoffnungen auf JWST, das 8,8 Milliarden US-Dollar teure Infrarot-optimierte Teleskop, das die NASA Ende 2018 auf den Markt bringen will.

Wissenschaftler planen, JWST auf die vielversprechendsten und faszinierendsten Exoplaneten auszurichten, die im kosmischen Waldhals der Erde entdeckt wurden, indem sie das leistungsstarke Instrument verwenden, um die Atmosphären dieser Welten nach Wasserdampf und Gasen zu scannen, die möglicherweise von lebenden Organismen produziert wurden, wie z Sauerstoff, Lachgas und Methan. [ Fotos des James Webb Weltraumteleskops ]

JWST sollte auch in vielen anderen Arenen Beiträge leisten, sagen NASA-Beamte, um Licht in die frühe Geschichte des Universums zu bringen und das Verständnis der Forscher über die Entstehung und Entwicklung von Sternen, Galaxien und Planetensystemen zu verbessern.

WFIRST-AFTA

Die Aussichten für die weltraumgestützte Exoplanetenforschung werden über das JWST hinaus etwas trübe, aber sowohl die NASA als auch die ESA haben einige potenzielle Projekte in Arbeit.

Die NASA beispielsweise arbeitet an einem 1,6 Milliarden Dollar teuren Observatorium namens Wide-Field Infrared Survey Telescope. Im Jahr 2010 erklärte der US-amerikanische National Research Council WFIRST zur obersten Priorität für das nächste Jahrzehnt der astronomischen Forschung.

Das aktuelle Missionsdesign mit dem Namen WFIRST-AFTA (kurz für Astrophysics Focused Telescope Assets) sieht vor, dass das Observatorium eines von zwei Spionage-Satellitenteleskopen einbaut, die das US-amerikanische National Reconnaissance Office 2011 der NASA zur Verfügung gestellt hat.

Die gespendeten Zielfernrohre ähneln in Größe und Aussehen dem legendären Hubble-Weltraumteleskop der NASA und verfügen über 2,4 Meter breite Hauptspiegel. Von flugfertigen Raumfahrzeugen sind die Instrumente jedoch weit entfernt; Sie sind im Grunde nur Primär- und Sekundärspiegel mit zugehörigen Stützstrukturen.

WFIRST-AFTA würde die Natur des Mysteriösen untersuchen dunkle Energie und jagen und studieren Sie fremde Planeten mit zwei Techniken: Direktabbildung und Gravitationsmikrolinsen. Bei dieser letzteren Methode beobachten Astronomen, was passiert, wenn ein massereiches Objekt an einem Stern vorbeizieht; das Gravitationsfeld des näheren Objekts beugt und vergrößert das Licht des Sterns und wirkt wie eine Linse.

Die Mission könnte Tausende von Exoplaneten allein mithilfe von Mikrolinsen finden, sagte Matthew Penny von der Ohio State University. Derzeitige Pläne sehen vor, dass WFIRST-AFTA im Jahr 2023 oder ungefähr starten soll, aber die vorgeschlagene Mission bleibt derzeit in einer Art Schwebezustand, fügte er hinzu.

'Es wird keine Finanzierung für [andere] große Missionen geben, bis JWST gestartet wird', sagte er am 6. November auf der Kepler Science Conference. 'Danach muss die NASA den Kongress, glaube ich, bitten, die nächste große Mission zu finanzieren.'

Teller

Die ESA könnte ihre eigene groß angelegte Exoplaneten-Mission ungefähr zur gleichen Zeit starten, wenn WFIRST-AFTA den Boden abhebt. Die Europäer entwickeln ein Projekt namens Plato (PLAnetary Transits and Oscillations of stars) mit einem möglichen Start im Zeitraum 2022-2024.

Wie Kepler, Cheops und TESS wird Plato die Transittechnik verwenden. Das Hauptziel der Mission besteht darin, eine große Anzahl von nahegelegenen Planetensystemen zu finden und zu charakterisieren, um genaue Größen und Massen von außerirdischen Welten zu erhalten – von denen viele in der bewohnbaren Zone ihres Wirtssterns liegen können, diesem genau richtigen Entfernungsbereich, in dem flüssiges Wasser existieren kann die Oberfläche eines Planeten.

'Wir wollen Planeten mit geringer Masse bis in die bewohnbare Zone vollständig charakterisieren, um die innere Zusammensetzung, die Dichte und das Alter des Systems zu kennen', sagte Stephane Udry von der Universität Genf am 6. November an der Kepler Science Konferenz.

Plato ist eine von fünf vorgeschlagenen „Mittelklasse“-Missionen – deren Kosten für die ESA auf 470 Millionen Euro oder etwa 630 Millionen US-Dollar begrenzt sind –, die die Agentur für den Startslot 2022-2024 in Betracht zieht. Die ESA wird im Februar 2014 einen dieser fünf auswählen, teilten Beamte mit.

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