Artemis-Missionen könnten das leistungsstärkste Bildteleskop auf dem Mond platzieren

Die terrestrische Interferometrie hat sich als effektive Methode zur Durchführung wissenschaftlicher Forschung erwiesen, indem sie das Licht mehrerer Teleskope zu einem einzigen großen Teleskop kombiniert. Aber wie kann ein ultraviolettes (UV)/optisches interferometrisches Teleskop auf dem Mond bessere wissenschaftliche Ergebnisse liefern, und können die Artemis-Missionen dazu beitragen, dies zu verwirklichen?

Dies versucht eine kürzlich auf der SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation 2024-Konferenz eingereichte Studie zu klären, indem ein Forscherteam den Artemis Stellar Imager (AeSI) vorschlägt, der, wie der Name schon sagt, möglicherweise über die NASA auf die Mondoberfläche gebracht werden könnte bevorstehende Artemis-Missionen. Die Studie wird auf der Website veröffentlicht arXiv Preprint-Server.

Dieser Vorschlag wurde kürzlich als Phase-1-Studie im Rahmen des Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programms der NASA angenommen und bietet das Potenzial, eine revolutionäre Methode mit sehr hoher Winkelauflösung für die Durchführung wissenschaftlicher Forschung an anderen Planetenkörpern zu entwickeln und gleichzeitig einen Beitrag zu anderen Missionen zu leisten.

Hier bespricht Universe Today diese unglaubliche Forschung mit Dr. Gioia Rau, einer Astrophysikerin am Goddard Space Flight Center der NASA und Programmdirektorin bei NSF, über die Motivation hinter dieser Studie, die wichtigen Schlussfolgerungen dieser Arbeit und die nächsten Schritte, wenn dies über die Phase hinausgeht 1, langfristige Ziele in Bezug auf Mondoberflächenstandorte und wie AeSI unser Verständnis der Bewohnbarkeit von Exoplaneten verbessern kann. Was war also die Motivation hinter dieser Studie?

Dr. Rau erklärt gegenüber Universe Today: „Die Motivation hinter dieser Studie besteht darin, zu bewerten, ob wir in Zusammenarbeit mit dem menschlichen Artemis-Programm ein großes Observatorium mit geringer Apertur (Interferometer) auf der Mondoberfläche bauen und betreiben können, und festzustellen, ob es konkurrenzfähig ist.“ mit einer zuvor entwickelten Freiflugoption.

„Das ultimative Ziel besteht darin, die Erforschung unseres Universums in ultrahoher Auflösung im ultravioletten und optischen Wellenlängenbereich mit einer Winkelauflösung zu ermöglichen, die etwa 200-mal größer ist als die von HST! Ultraviolette Beobachtungen sind von der Erdoberfläche aus aufgrund der darüber liegenden Atmosphäre nicht möglich, und selbst im sichtbaren Bereich begrenzt die Erdatmosphäre die mit bodengestützten Interferometern erreichbare ultimative Auflösung. »

Für diese Studie stützten sich die Forscher auf seit langem bestehende Vorschläge, UV-/optische Interferometer im Weltraum zu platzieren. Aufgrund der fehlenden Infrastruktur auf der Mondoberfläche bevorzugten die Wissenschaftler jedoch die Verwendung von Satelliten und Orbitern, die Forscher als „Freiflieger“ bezeichnen.

Für AeSI schlagen die Forscher den Bau eines Mondinterferometers unter Nutzung der Infrastruktur vor, die über das Artemis-Programm der NASA zum Mond gebracht wurde, mit dem Ziel, fortgeschrittene wissenschaftliche Erkenntnisse über exoplanetare Systeme zu liefern, einschließlich der Oberflächen von Sternen, ihres Inneren, Magnetfeldern, Weltraumwetters und der Bewohnbarkeit von Exoplaneten.

Um dies zu erreichen, wird das AeSI aus einem 1 Kilometer langen UV/optischen Bildgebungsinterferometer in der Nähe des Mondsüdpols bestehen, dem Landegebiet des Artemis-Programms, genauer gesagt Artemis III.

Neben den wissenschaftlichen Fortschritten hebt das Team auch die Skalierbarkeit des Projekts hervor und betont, dass es möglicherweise bis zu 30 oder mehr Elemente enthalten kann, um als einzelnes Interferometer zu dienen. Darüber hinaus befasst sich das Team mit mehreren Problemen, die bei diesem Unterfangen auftreten könnten, darunter Mondstaub, seismische Aktivität und der Einsatz von Roboterhilfen als Hilfsunterstützung für den Bau. Was sind also die wichtigsten Lehren aus dieser Studie?

Laut Dr. Rau: „Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie sind, dass das Projekt machbar ist und zeigt, dass die visionäre Idee unseres Hauptforschers, Dr. Kenneth Carpenter (NASA/Goddard Space Flight Center), realistisch weiterentwickelt werden kann.“ . Die Studie liefert wichtige Empfehlungen für die weitere Forschung und technologische Entwicklung, die für die Weiterentwicklung des Projekts und die Bewältigung der erforderlichen technischen Herausforderungen und zusätzlichen technologischen Entwicklungen von entscheidender Bedeutung sein werden. »

Wie bereits erwähnt, wurde AeSI für eine Phase-1-Studie (Erfolgsquote unter 4 %!) im Rahmen des Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programms der NASA zugelassen, wobei NIAC seit 1998 erfolgreich dazu beigetragen hat, die Technologie in der Luft- und Raumfahrtindustrie voranzutreiben, wie der ursprüngliche Name lautet NASA Institute for Advanced Concepts bis zu seiner Schließung im Jahr 2007.

Nur zwei Jahre später forderte der Kongress die Nationale Akademie der Wissenschaften auf, die Gründe für ihre Schließung zu untersuchen, was zu Empfehlungen für die Zukunft führte, die 2011 in das aktuelle NIAC-Programm mündeten.

Seitdem hat NIAC zu technologischen Fortschritten in den Bereichen Nanosatelliten, Planetenerkundung, Exoplanetenspektroskopie, Astrophysik, Kosmologie, Sonnenwissenschaften, bemannte Weltraumforschung und vielen anderen beigetragen. Diese Vorschläge durchlaufen drei Phasen, die jeweils eine höhere Finanzierung und mehr Zeit für das Projekt ermöglichen. Angesichts der Tatsache, dass es sich bei AeSI um eine Phase-1-Studie handelt, was sind die nächsten Schritte, wenn sie zur Weiterentwicklung genehmigt werden soll?

Dr. Rau sagt: „Die nächsten Schritte werden darin bestehen, Unterstützung von NIAC für Phase 2 sowie zusätzliche Mittel und Ressourcen einzuholen. Phase 2 wird sich auf die Entwicklung und Verfeinerung der ersten neunmonatigen Studie konzentrieren, die wir in Phase 1 durchführen.

„Wir glauben, dass unser visionäres Konzept das Potenzial hat, die wissenschaftliche Forschung zu revolutionieren und eine bedeutende Gelegenheit für die Technologiedemonstration auf der Mondoberfläche zu bieten. Deshalb hoffen wir sehr auf zusätzliche Unterstützung…“

Zu den langfristigen Zielen von AeSI sagt Dr. Rau: „Es gibt viele Einschränkungen für die Platzierung von Interferometern auf der Mondoberfläche, insbesondere von optischen und UV-Interferometern!“ Wir beschreiben dies ausführlicher im Abschlussbericht der NIAC-Phase-1-Studie, der öffentlich sein und Anfang nächsten Jahres veröffentlicht wird.

„Unser Projekt plant derzeit, mit der ersten Stufe zu beginnen, bestehend aus 15 Rovern in einer elliptischen Konfiguration mit einer Hauptachse von 1 km. Das Observatorium wird sich schließlich zu einem Netzwerk von etwa 30 Rovern mit einem modernisierten Hub entwickeln, um die Strahlen der größten Anzahl von Rovers (Spiegelstationen) zu kombinieren und eine extrem hohe Winkelauflösung von Himmelsobjekten wie entfernten sonnenähnlichen Sternen und aktiven Galaxienkernen zu ermöglichen (AGN), Exoplaneten, entwickelte coole Sterne und vieles mehr. »

Wie bereits erwähnt, wird eines der wissenschaftlichen Ziele von AeSI neben der umfassenden wissenschaftlichen Erforschung der Sterne auch die Bestimmung der Bewohnbarkeit von Exoplaneten sein, da die NASA die Existenz von mehr als 5.700 Exoplaneten in unserer Galaxie, der Milchstraße, bestätigt hat.

Von diesen gelten derzeit fast 70 als in der „habitablen Zone“ ihres Muttersterns beheimatet, wobei 29 davon möglicherweise terrestrische (felsige) Welten und die restlichen 41 möglicherweise „Wasserwelten“ oder Mini-Neptune sind.

Diese potenziell bewohnbaren Welten kreisen innerhalb und außerhalb der bewohnbaren Zone, und einige von ihnen bewegen sich im Verlauf derselben Umlaufbahn sowohl in die bewohnbare Zone hinein als auch aus dieser heraus. Wie könnte AeSI daher unser Verständnis der Bewohnbarkeit von Exoplaneten verbessern?

Laut Dr. Rau wird „AeSI es uns ermöglichen, die Eigenschaften der Muttersterne entfernter Exoplanetensysteme besser zu verstehen.“ Durch eine eingehendere Analyse dieser Sterne werden wir in der Lage sein, die Bedingungen besser zu verstehen, die die Bewohnbarkeit der sie umgebenden Planeten beeinflussen. Dazu gehört die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Planeten und ihren Sternen, die einen erheblichen Einfluss auf das Lebenspotenzial dieser Exoplaneten haben können. »

Während sich die NASA darauf vorbereitet, mit dem Artemis-Programm zum ersten Mal seit 1972 wieder Menschen zum Mond zu bringen, ist es wichtig, die unglaubliche Wissenschaft zur Kenntnis zu nehmen, die mit der von Artemis geschaffenen Infrastruktur erreicht werden kann.

Da die bodengestützte Interferometrie von der Erde aus ein seit langem etabliertes und erfolgreiches Wissenschaftsgebiet ist, das zu einem besseren Verständnis der Radioastronomie, Sonnenphysik, Nebel, Galaxien und Exoplaneten beigetragen hat, bietet AeSI eine einzigartige Gelegenheit, bahnbrechende wissenschaftliche Forschung durchzuführen. Abbildung entfernter Sterne mit der höchsten Winkelauflösung, die jemals erreicht wurde, auf anderen Planetenkörpern, während gleichzeitig neue Technologien getestet werden.

Dr. Rau schließt mit den Worten: „AeSI wird die ersten Bilder des Universums mit sehr hoher Winkelauflösung im Ultraviolett (UV) liefern.“ Dies ist ein großer Fortschritt für viele Aspekte der Astrophysik, vom Verständnis der magnetischen Aktivität von Sternen und ihrer Auswirkungen auf umliegende Planeten bis hin zu detaillierten Studien zu Exoplaneten, Weltraumwetter, AGN, Sternastrophysik und vielem mehr. »

„Die hochauflösenden ultravioletten und optischen Beobachtungen von AeSI werden neue Grenzen in der Astrophysik eröffnen und ein umfassenderes und detaillierteres Bild der energiereichsten und rätselhaftesten Komponenten des Universums liefern. »