Projekt Parallax

Das für die nächste Runde der Discovery-Missionen interessanteste Projekt ist wohl Parallax. Während die anderen Missionen mehr oder weniger die gleichen Ziele (zumindest nach dem Typ, wenngleich auch einige Entwürfe bisher unerforschte Asteroiden unter die Lupe nehmen wollen) haben wir hier einen der seltenen Fälle von einer „neuen“ Mission.

Parallax soll erstmals grobe Karten der Sternoberflächen unserer näheren Umgebung liefern, eventuell auch welche von größeren Planeten, die sie umkreisen, in jedem Falle aber eine bessere Charakterisierung dieser Sterne liefern.

Wenn man Sterne mit einem Teleskop beobachtet, so erscheinen sie auch in den größten Teleskopen als ein Punkt. Der Grund sind die enormen Distanzen. Alpha Centauri ist der nächste Stern, er ist 4,3 Lichtjahre von uns entfernt und gehört wie die Sonne zur Spektralklasse G. Er ist etwas größer als die Sonne und hat den 1,22-fachen Durchmesser der Sonne. Da die Sonne ~ 1,4 Millionen km Durchmesser hat, ein Lichtjahr aber einer Strecke von 9.460.800 Mill. Km entspricht, beträgt sein Durchmesser für uns etwa 0,0068 Bogensekunden (6,8 mas Milli Angle Second). Das Hubble Weltraumteleskop kann maximal 0,05 Bogensekunden große Details auflösen. Mit adaptiver Optik ausgestattete irdische Teleskope würden eine noch höhere Auflösung erreichen, doch damit er zumindest 2 x 2 Pixel groß wäre, benötigt man ein Teleskop von etwa 34 m Durchmesser.

Es gibt trotzdem einige grobe Karten von Sternen. Das sind ausnahmslos Riesensterne, wie rote Riesen die im Vergleich zur Sonne enorm groß sind. So gibt es einige grobe Aufnahmen von Beteigeuze einem roten Riesen, der 640 Lichtjahre entfernt ist. Er ist so groß, dass er einen Durchmesser von 0,05 Bogensekunden hat, also siebenmal größer als Alpha Centauri. Ein 10-m-Teleskop wie das VLT hat eine theoretische Auflösung von 0,012 Bogensekunden, kann ihn also in 4 x 4 Pixeln auflösen und so auch schon Bilder aufgenommen. Doch selbst dazu sind etliche Tricks nötig, z.B. die Speckle-Interferometrie bei der man zahlreiche kurzzeitbelichtete Aufnahmen addiert, um die Turbulenz der Erdatmosphäre einzufrieren und so auszuschalten.

Parallax soll nun Sternoberflächen in nie bekannter Genauigkeit erfassen. Die Mission nutzt dazu die gleiche Technik, die auch Missionen für die Planetensuche bei anderen Sternen nutzen. Auch diese sind wie Details der Oberfläche eigentlich zu klein, um direkt erfasst zu werden. Sie werden bestimmt, indem man die Position und Helligkeit von Sternen vermisst. Durch ihre Gravitationskraft sorgen Planeten für eine kleine Verschiebung der Position und Variationen der Helligkeit, wenn sie vor dem Stern vorbeiziehen. Und die Helligkeit und Positionen von Sternen kann man sehr präzise vermessen.

Parallax soll mit einem mittelgroßen Teleskop, vorgeschlagen werden 20 bis 24 Zoll Öffnung (50 – 60 cm) Sterne über eine Rotationsperiode beobachten. Das Licht wird von mehreren Detektoren erfasst, zum einen hochempfindliche Detektoren für die Helligkeit im UV, sichtbaren und nahen Infrarot, zum anderen wird ein hochauflösendes Spektrum zwischen dem extremen UV und sichtbaren Wellenbereich aufgenommen.

Diese Informationen informieren nicht nur über die Helligkeit, sondern auch Oberflächentemperatur und das Vorhandensein und die Menge bestimmter ionisierter Elemente in der Korona. Bei der Sonne ist die Zusammensetzung der Korona hoch variabel und hängt mit der Sonnenaktivität und Masseausbrüchen auf der sonne zusammen. Sie wird daher derzeit von der Parker Solar Probe erforscht. Passiert ein Planet einen Stern so kann als Nebeneffekt durch die Helligkeitsveränderung auch seine Oberfläche grob kartiert werden, zumindest aber die Mengenelemente seiner Atmosphäre über das Spektrum erfasst werden.

Bis hierher benötigt man jedoch keine Raumsonde für diese Mission. Das wäre auch von einem Satelliten durchführbar, nur von der Erdoberfläche aus wegen der variierenden Dichte der Atmosphäre durch Turbulenzen und damit der schwankenden Lichtabschwächung nicht. Ist die Turbulenz besonders stark, so kann man das auch mit bloßem Auge als Funkeln der Sterne erkennen. Bei einer Satellitenmission würde sich die Helligkeit verändern, weil der Stern rotiert und so ein hellerer Bereich langsam Richtung Rand wandert und von der Seite gesehen wird. Doch so sind nur grobe Karten möglich. Parallax soll eine viel höhere Auflösung erreichen, indem zwei Raumsonden simultan einen Stern beobachten und die Messdaten mit einem präzisen Zeitstempel versehen werden. Dazu haben beide Raumsonden Atomuhren an Bord. Die beiden Sonden sehen aber den Stern aus leicht unterschiedlichem Winkel, je höher dieser Winkel ist, desto kleiner sind die Details, die rekonstruiert werden können. Bei der Bodenstation werden die Messdaten beider Sonden zu einem Modell vereinigt und die Oberfläche rekonstruiert. Die Vorgehensweise ist die gleiche wie bei der Interferometrie von Radioteleskopen. Bei diesen hat man schon durch Zusammenschalten von Radioteleskopen auf der ganzen Erde Daten gewonnen, die so hoch auflösend sind wie gewonnen mit ein Radioteleskop mit dem Druckmesser der Erde.

Im kleinen setzt man diese Technik der Interferometrie auch bei den vier Teleskopen des VLT (Very Large Telescope) der ESO in Chile ein, sowie beim Keck Teleskop auf Hawaii. Bei Keck sind es zwei Teleskope in 20 m Distanz, beim VLT sind es vier große und eine Reihe kleiner Teleskope die eine 160 m Basislinie ergeben. Die Länge der Basislinie ist ein Maß der Auflösung die erreicht wird. Das Verfahren ist jedoch aufwendig. So benutzt man einen künstlichen Stern in Form eines Laserstrahls der in 90 km Natriumatome zum Leuchten anregt. Sie Veränderung dieses künstlichen Sterns wird genutzt um die Abbildungen rechnerisch zu entzerren. Im Weltraum ist dafür keine Korrektur nötig. Sie benötigen aber hochgenaue Atomuhren, damit man die Bilder genau zum gleichen Zeitpunkt machen kann.

Beide Sonden können getrennt oder zusammen gestartet werden, abhängig davon, welche Trägerrakete gewählt wird. Beide Sonden werden zuerst an Erde und Venus Schwung holen. Bei dem Vorschlag mit gemeinsamen Start im Mai 2031 würde eine Sonde einen Venus- und Erdvorbeiflug durchführen, den Jupiter im März 2034 passieren. Die zweite würde einen zweiten Erdvorbeiflug durchführen und den Jupiter erst im Juni 2036 passieren. Durch die Bewegung Jupiters in den zwei Jahren und eine unterschiedliche Ablenkung soll zwischen die Bahnen ein Winkel von 80 bis 90 Grad resultieren. Die Sonden entfernen sich so immer weiter voneinander. Die eigentliche Vermessungsmission beginnt nach dem Jupitervorbeiflug. Da der Abstand immer weiter zunimmt, wird man zuerst nahe Sterne vermessen, da die Auflösung mit steigender Entfernung zunimmt, aber auch der scheinbare Durchmesser der Sterne mit steigender Entfernung abnimmt. Erhofft wird eine aktive Messdauer über mindestens 5 Jahren bei 12 Jahren Missionsdauer.

Zwei kleine Nebeneffekte der Mission sind das man von den beobachteten Sternen so automatisch auch die Entfernung mit derselben Genauigkeit kennt wie die Auflösung der Oberfläche (anfangs 1 mas also 1 /1000 Bogensekunde, durch die Entfernung steigend, am Ende der Mission etwa 0,3 mas). Das zweite ist, das die Sonde sich laufend von der Erde entfernt und sehr lange betrieben werden kann. Im Gewichts- und Strombudget sind daher vier weitere Instrumente vorgesehen die Plasmawellen, elektrische Felder, energiereiche Teilchen und das Magnetfeld erfassen. Sie können die Voyagermessungen ergänzen, New Horizons hat nur einen einfachen Teilchendetektor und leistet dies nicht in dem Maße.

Leider hat man von dem Vorschlag schon das Interessanteste gestrichen, damit er im Budget einer Discoverymission passt. Geplant war ursprünglich auf eine Hochgewinnantenne zu verzichten und das Hauptteleskop zusammen mit einem Laserterminal zum Übertragen der Daten und Empfangen von Daten zu nutzen. Dafür hätte man regelmäßig die Messkampagnen unterbrochen bzw. die Daten zwischengespeichert und nach einer Messkampagne vor dem Ausrichten auf das nächste Objekt übertragen. Doch das erschien zu ambitioniert und da die Sonde keine Bilder macht und Spektren und Lichtmessungen nur kleine Datenmengen erzeugen wird es eine herkömmliche Konstruktion.

Mal sehen, was draus wird. Noch ist es nur ein Proposal. Derzeit läuft noch die Entscheidung über vier Kandidaten der 2020 er Runde. Mit einem der Kandidaten, nämlich TRIDENT, das auch am JPL entwickelt wird gibt es eine Zusammenarbeit. Beides sind Sonden ins äußere Sonnensystem. Zahlreiche Subsysteme wie Stromversorgung, Kommunikation und Avionik können übernommen werden. Wird TRIDENT bei der derzeitigen Runde selektiert, dann könnten so die Kosten für PARALAX sinken. Allerdings ist die derzeitige Runde stark besetzt. Alle vier Vorschläge sind anspruchsvoll und Neuland für die NASA, anders als noch eine Mission zu Mars oder Asteroiden: DAVINCI+ beisteht aus einem Orbiter/Vorbeiflugsonde und einer Atmosphärenkapsel. Hauptzweck ist die Zusammensetzung der Atmosphäre zu untersuchen. Das „+“ bezieht sich darauf, dass man gegenüber einem früheren Vorschlag Kameras in Orbiter und Abstiegssonde hinzunahm. DAVINCI+ punktet vor allem durch die Kosten. Man wird Instrumente verwenden, die schon auf anderen Raumsonden wie Curiosity oder OSIRS-Rex zum Einsatz kommen. Schlechtere Chancen hat IVO (io Vulkanic Explorer). Die Mission wurde schon 2009 zum ersten Mal konzipiert und bisher nicht selektiert. Auf der anderen Seite würde sie gut Europa Clipper ergänzen die niemals Io erreichen wird. Trident wurde schon erwähnt, eine Vorbeiflugsonde an Neptuns Mond Triton. Vergleichen mit Ivo ist die Sonde kleiner und weniger komplex, muss auch nicht in Jupiters Strahlengürtel arbeiten. Auf der anderen Seite hat sie eine längere Missionszeit, bis sie das Ziel erreicht – 12 Jahre, was sich auch in den Kosten niederschlägt. Gute Chancen hat auch VERITAS. Das ist ein Radarorbiter für die Venus. Er soll die Venus mit 30 m globaler Auflösung und einzelne Regionen mit niedrigeren Auflösung von 15 m erfassen. Auch Davinci ist nicht neu und wurde schon bei der letzten Ausschreibung als Vorschlag eingebracht, unterlag aber Psyche und Lucy.