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Herschel und Planck

Einführung

Herschel und Planck sind zwei Satelliten, die im Infrarotbereich und Submillimeterbereich von der ESA entwickelt und gemeinsam gestartet werden. Herschel ist die letzte der vier "Cornerstone" Missionen des Horizont 2000 Programmes. Das sind vier aufwendige wissenschaftliche Satelliten der ESA, die bis 2007 entwickelt werden, sollen. Die drei anderen waren Cluster/SOHO, XMM, Rosetta. Dazu kamen ISO und Hubble (bewilligt, bevor man das Programm auflegte). Planck gehört dagegen zu den "mittelgroßen" Missionen und ist von den drei ebenfalls die Letzte, die noch auf den Start wartet. Huygens und Integral wurden schon vor einem Jahrzehnt gestartet.

Beide Satelliten haben eines gemeinsam: Sie beobachten den Himmel in einem sehr langwelligen Spektralbereich. Das erfordert eine ausgeklügelte Kühlung der Satelliten. Missionen dieses Typs nutzen dazu eine riesige Thermosflasche gefüllt mit flüssigem Helium nahe des absoluten Nullpunkts. Durch aufgenommene Energie verdampft aber trotz bester Isolierung ein Teil des Heliums. Um die Lebensdauer von Satelliten zu erhöhen, geht der Trend daher dazu möglichst weit sich von der Erde zu entfernen. IRAS als erster Röntgensatellit umkreiste die Erde noch in einer erdnahen Umlaufbahn. Er konnte sich gegen die Sonne schützen, nicht aber gegen die Strahlung der Erde. ISO befand sich in einer geostationären Umlaufbahn. Dort war die Strahlung der Erde schon herabgesetzt. Spitzer, das aktuelle Weltraumteleskop der USA befindet sich in einer Sonnenumlaufbahn  dorthin werden auch Herschel und Planck gestartet.

Genauer gesagt ist es ein Start zum L2 Librationspunkt. In meinem Aufsatz über einige Weltraumgrundlagen finden Sie einige Informationen zu den Librationspunkten. Es sind stabile Punkte in einem System aus zwei Himmelskörpern. Vereinfacht gesagt: In einem System aus zwei Himmelskörpern sind Bahnen um beide Himmelskörper instabil. Im Erde/Sonnensystem sind Bahnen um die Sonne stabil. Ebenfalls sind Bahnen um die Erde stabil. Doch in einem Bereich, in dem beide Körper die gleiche Anziehungskraft haben sind, Bahnen instabil. Eine Ausnahme sind 5 Punkte. Von diesen liegt L2 auf der Linie Sonne-Erde-Satellit. Der Satellit befindet sich permanent 1.5 Millionen km von der Sonne entfernt. Dieser Punkt hat einige vorteilhafte Eigenschaften:

Die Position zur Erde und Sonne ist konstant. Die Erde liegt in der gleichen Richtung wie die Sonne. Das erlaubt es leichter, die Wärmestrahlung abzuschirmen.

Da beide Missionen in den gleichen Orbit führen, war es logisch sie gemeinsam mit einer Ariane 5 EC-A zu starten. Weiterhin verwenden beide Missionen den gleichen Bus und werden vom gleichen Ingenieur-Team entwickelt. Die Ariane 5 EC-A wird eine Nutzlast von 6.002 kg transportieren, wovon 5.322 kg auf die beiden Satelliten entfallen und der Rest auf die beiden Nutzlastadapter und die Sylda, in der sich Planck befindet. Nach Brennschluss der ESC-A Oberstufe befindet sich das Paar in einer hochelliptischen Umlaufbahn mit einem erdnächsten Punkt von 270 km und einem erdfernsten von 1.193.622 km Entfernung von der Erdoberfläche bei einer Bahnneigung von 6 Grad. Dieser Flug ist für die Ariane 5 eine Premiere: Es ist nicht nur der erste in den L-2 Librationspunkt von Ariane 5, es ist auch der erste Einsatz des HM-7 Triebwerks für direkte Einschüsse in eine Bahn die über den Mond hinaus führt (man kann nicht von einer fluchtbahn sprechen, da es nur eine exzentrische Erdumlaufbahn ist). Es gibt auch Unterschiede zu normalen Missionen. So wird die Nutzlastverkleidung anstatt nach 188 Sekunden erst nach 245 Sekunden abgetrennt - wenn die Ariane 5 145 km erreicht hat. Bei Kommunikationssatelliten ist dies schon in 105 km Höhe der Fall. Dadurch wird die Wärmeaufnahme durch die untere Atmosphäre verringert. Auch das Startfenster ist mit 48 Minuten deutlich kleiner als bei typischen GTO Missionen, es ist aber bedeutend größer als bei den ATV Missionen zur ISS, bei der der Start praktisch auf die Sekunde genau erfolgen muss. Verkürzt wurde auch die Startkampagne, da mit dem Einschließen der Nutzlast in die Nutzlastverkleidung das Nachfüllen von Helium beendet werden musste. Die Nutzlastspitze wurde danach zwar gekühlt, doch ab dann beginnt der Verlust an Helium. So wurde Herschel erst am 10.5.2009, vier Tage vor dem Start mit der Nutzlastverkleidung umhüllt.

Herschel im ESTECHerschel

Herschel wurde als vierte Cornerstone Mission im November 1993 noch als "First" bestätigt. Die Auswahl der drei Experimente aus 40 Vorschlägen erfolgte im Mai 1998. Die folgende Ausschreibung für die Fertigung der Raumsonde gewann Alcatel Space Industries am 14.3.2001 mit einem Auftragsvolumen von 369 Millionen Euro (nur für die Raumsonde). Den Namen "Herschel" bekam FIRST im Dezember 2000. Die Kosten führten dazu das Konzept neu zu überdenken und so kam es im Jahre 2000 zum Beschluss der Doppelmission mit Planck, gekoppelt an die Verwendung möglichst vieler Teile in beiden Sonden. Der Start von Herschel und Planck war ursprünglich für 2008 geplant, verzögerte sich jedoch um etwa 1 Jahr.

Herschel ist der größere der beiden Satelliten. Es handelt sich um einen Infrarot Astronomie Satelliten. Herschel unterscheidet sich von bisherigen Missionen dadurch, dass es im extrem fernen Infrarot an der Grenze zum Übergang zu Radiowellen (definitionsgemäß: oberhalb 1 mm Wellenlänge) Beobachtungen macht. Die aufgenommene Strahlung ist daher sehr energiearm und um diese mit temperaturempfindlichen Sensoren nachweisen zu müssen wird Herschel das bisher ausgeklügelte Kühlsystem aller Infrarotsatelliten aufweisen. Herschel soll im fernen Infrarot höher aufgelöste und empfindlichere Bilder und Spektren liefern als Spitzer, ein NASA Observatorium, das im mittleren Infrarot arbeitet. Dies zeigt auch echt deutlich wie sich verschiedene Projekte heute ergänzen. Beide Satelliten sind z.B. auf Akari angewiesen, der eine Himmelsdurchmusterung macht und viele Quellen erst entdeckt.

Ziel ist es sowohl sehr kalte Regionen zu beobachten (die beobachtete Strahlung von 60-670 µm entspricht der thermischen Strahlung von 5-50 K) und damit in der Zeit zurückzusehen. Aus solchen Regionen bilden sich Sterne, aber auch in die Vergangenheit des Universums selbst. in das "Dunkle Zeitalter" bevor es Sterne gab.

Herschel trägt den bisher größten monolithischen Spiegel eines Teleskops ins All. Monolithisch bedeutet: aus einem Stück, so wie die meisten Teleskopspiegel auf der Erde. Er hat einen Durchmesser von 3.5 m, ist also deutlich größer als der des Weltraumteleskops Hubble. Er wird dieses Prädikat wohl auch behalten. Den zum einen sind viel größere Spiegel mit den heute zur verfügbaren Raketen kaum noch möglich: Bei Ariane 5, der Rakete mit der derzeit größten Nutzlastverkleidung kann eine Nutzlast einen maximalen Durchmesser von 4.57 m aufweisen. Zum Zweiten sind größere Spiegel leichter, wenn sie aus mehreren Segmenten bestehen. So wird das James Webb Teleskope einen segmentierten Spiegel aufweisen. Das Teleskop von Herschel besteht zwar auch aus 12 Segmenten aus Siliziumkarbid, doch diese wurden vor dem Start zusammen montiert. Siliziumkarbid wurde gewählt, weil es sehr leicht ist und einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat. Allerdings ist es eine Keramik und sintert beim Brennen, verändert also seine Größe. Nach einem Probeabkühlen zeigte sich, das der Fokus nicht dort war, wo er vermutet wurde. Da die Herschel Instrumente fest fokussiert sind, bedeutet dies, dass sie eventuell wie Hubble nur unscharfe Bilder liefern würden. Bei mehrmaliger Wiederholung des Abkühlens auf die Betriebstemperatur war aber darf jedes Mal am gleichen Punkt, sodass dieser nun als Fokus genommen wurde. Der innen weitgehend hohle Siliziumcarbidspiegel wurde dann poliert und mit Aluminium bedampft und dieses mit einer Siliziumoxidschicht verkleidet um die Oxidation des Aluminiums zu verhindern. Wie bei Planck umgibt der Cryostat nur die Experimente. Der Teleskopspiegel ist mit 80 K erheblich wärmer. Dies ist eine gewisse Einschränkung, die bei der Auslegung der Experimente berücksichtigt wurde.

Basierend auf diesem Spiegel soll Astrium das Konzept eines hochauflösenden Satelliten entwickelt, der aus dem Geo-Orbit Aufnahmen von 3m Auflösung macht. Auch er hat einen Silziumcarbidspiegel, nur etwas größer, er ist 4,1 x 5,1 m groß.

Die Gesamtinvestitionen in Herschel entsprechen 1100 Millionen Euro.

Der Satellit

Der Spiegel steckt mit den Instrumenten in einer gigantischen Thermosflasche, einem Cryostat. Er fasst 2300 l Helium, wobei nach dem Start noch 2160 l übrig sein sollten. Wenn die letzten Tropfen des superflüssigen (unterkühltes) Helium verdampft sind, dann ist Herschels Mission beendet, denn dann können die hochempfindlichen Detektoren nicht mehr länger gekühlt werden. Gerechnet wird mit einer Verdampfungsrate von 2 mg/s. Das Helium sollte ausreichend sein für eine Betriebszeit von 4.5 Jahren. Damit es möglichst lange hält wird die innere Thermalflasche, welche das Teleskop und die Instrumente umhüllt von 3 Kühlketten die hintereinander geschaltet sind gekühlt: Der Schutzschild, der immer zur Sonne ausgerichtet ist kühlt den Satelliten auf 80 Kelvin. Die erste Kühlstufe auf 50 K, die zweite auf 30 K und die letzte auf 20 K. Die Temperatur des superflüssigen Heliums beträgt nur 1.6 K. Es wird immer das gasförmige Helium abgepumpt, wodurch der Rest der Flüssigkeit sich weiter abkühlt. Das Helium-4 alleine wiegt 300 kg. Es wird am Boden zuerst mit 450 l Dewar Gefäßen in den Cryostaten umgefüllt bis dieser voll ist. Danach erfolgen noch weitere Vorbereitungen wie die finalen Vorbereitungen im S1B Gebäude und das Füllen von Herschel mit Hydrazin im S5B Gebäude, dann am 25.4.2009 wird begonnen durch Vakuum-Pumpen die Temperatur des Heliums abzusenken. Das eingefüllte Helium hat eine Temperatur von 4.2 K (Helium-I), durch Abpumpen der heißesten und schnellsten Helium Atome sinkt die Temperatur ab und unterschreitet schließlich 2.17 K, bei dem das Helium in einen anderen Zustand (Helium-II) übergeht. Bis schließlich 1.7 K erreicht worden sind, ist etwa die Hälfte des ursprünglichen Heliums verdampft. So wird über Tage laufend neues Helium nachgefüllt. Das Nachfüllen geht weiter während Herschel und Planck ins Final Assembly Building wandern und erst 4 Tage vor dem Start beendet. Dann ist der Tank zu 95 % gefüllt und wird verschlossen. En Überdruckventil entlässt dann Helium, das während der letzten Tage verdampft.

Herschel ist ein 7.5 m hoher Satellit mit einem Durchmesser von 4.0 m. Die Startmasse beträgt 3.402 kg, wovon 415 kg auf das Teleskop und die wissenschaftliche Nutzlast entfallen. Ziel ist die Beobachtung im fernen Infrarot zwischen 55 und 672 nm, einem Wellenlängenbereich, der bislang kaum bekannt ist. Lediglich ISO hatte eine Empfindlichkeit bis 240 µm Wellenlänge, allerdings mit wesentlich schlechter Auflösung und Empfindlichkeit. Diese hohe Wellenlänge macht zum einen eine sehr gute Kühlung der Instrumente notwendig, zum anderen einen großen Hauptspiegel, da die Auflösung mit steigender Wellenlänge sinkt. Herschel hat einen 4-6 Mal größeren Hauptspiegel als alle vorhergehenden Weltraumteleskope für die Infrarotbeobachtung.

Ansonsten ist Herschel fast ein normaler Wissenschaftssatellit. Er benutzt zwei Star-Tracker Kameras um seine Position im Raum festzustellen ergänzt durch 4 Gyroskope als internes System und Sonnensensoren. Die Lage wird verändert durch 4 Reaktionsschwungräder und 6 x 10 N Triebwerke in redundanter Auslegung. Sie werden von zwei Hydrazin Tanks gefüttert die jeweils 135 kg Hydrazin aufnehmen. Gefüllt wurden sie vor dem Start mit zweimal 128 kg, genug für die Lagekontrolle und Orbitmanöver für mindestens 6 Jahre. Der Bordcomputer ist der auch bei anderen ESA Satelliten genutzte ERC-32, eine weltraumtaugliche Version des Sparc V7 Mikroprozessors. Nicht die aktuellste Generation, aber für diese Mission vollkommen ausreichend. Die Ausrichtungsgenauigkeit beträgt 2.12 Bogensekunden. Bedingt durch die hohe Wellenlänge bei der beobachtet wird, ist keine so hohe Ausrichtung notwendig wie z.B. bei Hubbel. Der Schutzschild ist mit Solarzellen belegt, die 1450 Watt Strom liefern. Dazu kommen zwei Lithium-Ionenbatterien mit jeweils 36 Ah Kapazität. Die Daten werden auf einem 25 GBit Speicher aus Halbleiterbausteinen zwischen gespeichert und bei Funkkontakt mit 1.5 MBit/s zur Erde übertragen.

Die Instrumente

Herschel beginnt seine Beobachtungen erst ab 70 µm Wellenlänge, also rund 100 mal längeren Wellenlängen als das sichtbare Licht. In diesem Bereich gibt es noch keine großen CCD Arrays wie sie Spitzer beim mittleren Infrarot einsetzen kann. (Auch muss ein Pixel entsprechend der größeren Wellenlänge größer sein, so dass bei gegebenem Flächeninhalt die Zahl der Pixels abnimmt.

Herschel hat 3 Instrumente welche jeweils verschiedene Wellenlängenbereiche abdecken. Sie schauen nebeneinander auf verschiedene Bereiche im Brennpunkt des Teleskops. Es wird jedoch nur ein Experiment zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv sein. Alleine die Instrumente (die jeweils von einer ganzen Anzahl von Instituten entwickelt wurden) entsprechen einer Investition von 80 Millionen Euro.

PSCS: Das Photodetector Array Camera and Spectometer ist das Instrument welches das kürzest wellige Licht detektiert. Es besteht aus einer Kamera und einem Spektrometer. Ein Strahlenteiler zerteilt das einfallende Licht und wirft es auf zwei Kameras. Eine für den langwelligen Bereich (130-210 µm) und eine für den kurzwelligen Bereich 60-85 und 85-130 nm, je nach Auswahl. Es kann gleichzeitig im langwelligen und kurzwelligen Bereich gemessen werden. Beide Kameras haben dasselbe Gesichtsfeld von 1.75 x 3.5 Bogenminuten und bestehen aus 32 x 64 Pixeln (kurzwelliger Bereich) bzw. 16 x 32 Pixeln (langwelliger Bereich). Dies zeigt schon: Herschel wird nicht die hochauflösenden Bilder von Spitzer liefern. (Spitzers IRAC Kamera hat zwar 256 x 256 Pixel, arbeitet aber nur bei Wellenlängen unter 8 µm - Spitzers MIPS Instrument welches mit 50-100 µm Wellenlänge vergleichbar PACS ist hat auch nur 32 x 32 Pixel). Damit der Hintergrund ausgefiltert wird bewegt sich PACS 3 mal pro Sekunde zwischen Hintergrund und Teleskop hinterher. So soll die Eigenstrahlung des Teleskops (das ja noch 80 K warm ist und entsprechend ein Strahlungsmaximum bei rund 37 µm aufweist) kompensiert werden.

Das zweite Teilinstrument von PACS ist ein Spektrometer. Ein Schräger Beugungsschlitz bricht das Licht in ein Spektrum auf und wirft es auf ein 16 x 25 Pixel Array: Dabei wird durch eine ausgeklügelte Anordnung von einem quadratischen Blickfeld von 5x5 Pixeln = 25 Pixel gemeinsam ein Spektrum gewonnen - Die ist die X-Achse des Arrays von 25 Pixeln Breite. Die Y Achse enthält die spektrale Information in 16 Messpunken. Jeder Meßpunkt hat nur 9 Bodensekunden Größe. Die spektrale Auflösung beträgt Δλ/lλ = 1500. Das erlaubt es z.B. bei sich von uns wegbewegenden Galaxien noch Geschwindigkeiten von 175 km/s aufzulösen. Die Detektorelemente sind dabei einzelne Germanium:Galliumkristalle, die mechanisch gedrückt werden um sie noch empfindlicher für das eingehende Licht zu machen. PACS wird auf 1.6 K gekühlt.

SPIRE (Das Spectral and Photometric Imaging Receiver) arbeitet im mittleren Bereich des Beobachtungsspektrums bei 200-670 µm Wellenlänge. Um diesen Bereich abzudecken gibt es 3 Kameras mit unterschiedlichen Pixelgrößen und unterschiedlicher Pixelzahl (139, 88, 43). Jede Kamera hat eine andere Zentralwellenlänge (250, 360 und 520 Mikrometer).Die Detektoren sind einzelne Elemente, hochempfindliche Thermometer, sogenannte Bolometer. Zur Steigerung der Empfindlichkeit wird SPIRE auf 0.3 Kelvin gekühlt. Dabei ist eine Betriebszeit von rund 45 Stunden möglich. Danach muss der Helium-3 Kühler für 3 stunden regeneriert werden. Das Prinzip des Sorptionskühlers beruht auf der Aufnahme von Helujm-3 durch Aktivkohle und dem Verdampfen und Abkühlen durch die Verdampfungswärme. Die tiefe Temperatur von nur 0.3 Kelvin wird nur mit dem seltenen und teuren Isotop Helium-3 erreicht. Beim "normalen" Cryostat reicht noch superkritisches ordinäres Helum-4 (obwohl dieses mit 1.6 K auch kälter ist als der Verdampfungspunkt von "normalem" nicht superflüssigem Helium von 4.2 K. SPIRE hat durch die kleineren Elemente eine schlechtere spektrale Auflösung von Δλ/lλl von 3 und ein kreisförmiges Gesichtsfeld von 2.6 Bogenminuten.

HIFI: Das Heretodyne Interferometer erschließt den längsten Wellenbereich. Es befindet sich schon oberhalb des Infraroten Spektralbereichs, der Definitionsbereich bei etwa 1000 µm endet - bei diesem Bereich ist die Strahlung nun schon so energiearm, das man von Radiostrahlung spricht und so ist HIFI auch ein ausgeklügelter Radioempfänger. HIFI arbeitet auch ein bisschen wie ein Radio: Das Eingangssignal wird mit einem Referenzsignal eines Oszillators gemischt und dabei verstärkt, aber gleichzeitig aus dem ganzen Spektrum ein schmallbandiger Bereich herausgefiltert.

HIFI kann daher nur Messungen eines Punktes am Himmel machen und nur bei einer Frequenz. Diese ist aber im Bereich von 490-1910 GHz wählbar, was Wellenlängen von 150-600 Mikrometern entspricht. Die spektrale Auflösung ist daher mit Δλ/lλ=10.000.000 enorm gut. Dabei mussten die Verstärker auf 7 verschiedene Frequenzbereiche optimiert werden. Es gibt zwei wählbare Wellenbereiche von 480-1250 GHz und 1410-1910 GHz. Das niedrige Band nutzt wiederum 5 Einzelempfänger mit abgestufter Auflösung, da diese mit steigender Wellenlänge Abnimmt. Sie beträgt 39 Bogensekunden bei 480-640 GHz und 13 Bogensekunden bei 1410-1910 GHz.

Die Mission

Andromeda gesehen mit Herschel und XMMHerschel wird zusammen mit Planck mit einer Ariane 5 ESC-A zum Librationspunkt L2 befördert. Beide Satelliten wiegen zusammen mit der Sylda rund 6.000 kg. Das ist noch deutlich unter der Nutzlast der Ariane 5-ECA für einen heliozentrischen Orbit, die bei rund 6.600 kg liegt. Da die ESC-A Oberstufe nicht wiederzündbar ist, erfolgt der Einschuss direkt. Das Startfenster ist dabei kleiner als bei dem üblichen Verfahren mit einem Einschuss in eine Parkbahn. Die Bahn wird 1,2 und 12 Tage nach dem Start nochmals fein mit den eigenen Triebwerken der Sonden korrigiert. Der Start erfolgte ohne Probleme am 14.5.2009.

Doch schon auf dem Weg dorthin trennen sich die Wege der beiden Sonden. Planck hat restriktivere Anforderungen an den Orbit als Herschel, welche in einem 4 Monatsrhythmus um den Langrange Punkt L2 kreist. Nach 60 Tagen sollte er diesen erreicht haben. Danach beginnt recht schnell die Inbetriebnahme der Instrumente. Da das Kühlmittel endlich ist, ist die Zeitdauer beschränkt. Die Nominalmission dauert 3 Jahre, mit einer möglichen Verlängerung um ein weiteres Jahr. Das Helium sollte für viereinhalb Jahre reichen, wobei allerdings die Reise und die Inbetriebnahme mit abgehen. Wahrscheinlich wird Herschel daher nicht den Betriebsrekord von Spitzer brechen können, welches seit mehr als 5 Jahren in einem heliozentrischen Orbit Infrarotbeobachtungen durchführt. Allerdings sind die Anforderungen für Herschel an die Kühlung wegen der Beobachtung im nahen Infrarot viel höher. Im Orbit macht Herschel 21 Stunden pro Tag Beobachtungen und speichert die Daten im Computerspeicher. Danach dreht er sich so, dass er mit der Erde kommunizieren kann und sendet 3 Stunden lang die Daten zur Erde. Das Teleskop ist nur begrenzt drehbar, da dafür der ganze Satellit gedreht werden muss. Er Muss aber immer mit dem Schild zur Sonne schauen um durch sie Strom zu bekommen und das Teleskop vor der direkten Sonneneinstrahlung zu schützen. So kann das Teleskop einen Streifen von 30 Grad rund um den Himmelsnordpol, d.h. von 60 bis 120 beobachten.

Was erwartet man sich von Herschel? Zum einen eine höhere Empfindlichkeit durch stärkere Kühlung und eine größere Lichtsammelfläche. Allerdings auch eine größere Auflösung durch den großen 3.5 m Spiegel. ISO konnte 15% der Quellen die bei der IRAS Durchmusterung entdeckt wurden, als Punktquellen auflösen. Bei Herschel soll dies bei 50% möglich sein. Weiterhin wird ein neuer Bereich im Infraroten erstmalig beobachtet: ISO setzte als oberste Grenze 240 µm. Herschel wird diese auf 670 µm erhöhen. Herschel wird das sehr kalte Universum beobachten: Der abgedeckte Bereich entspricht einer Temperatur von 5-50 K. 5 Kelvin, das ist nur wenig wärmer als die kosmische Hintergrundstrahlung (ein Bereich denn dann Planck genauer untersucht) und 50 Kelvin, das ist in etwa die maximale Temperatur die Plutos Oberfläche während der Annäherung an die Sonne erreicht.

Eine Abschätzung des Heliumvorrats im August 2011, zwei Jahre nach dem Start ergab, dass es wahrscheinlich bis zum Frühjahr 2013 reichen wird,. also mindestens eine vierjährige Mission möglich ist. Die Bilder von Herschel sind zwar nicht so hochauflösend wie die von Hubble (was schon wegen der viel größeren Wellenlänge der Infrarotstrahlern physikalisch unmöglich ist), aber sie sind um ein vielfaches besser als die von ISO, dem letzten ESA-Infrarotobservatorium. Neue Möglichkeiten ergeben sich durch die Kombination der Herschel-Daten mit denen anderer Observatorien. So sieht der Röntgensatellit XMM vor allem den Kern der Andromedagalaxie mit seinem schwarzen Loch, Herschel die Emissionen des Staubs und der Gaswolken und im visuellen Bereich sieht man die leuchtenden Sterne. (Bild oben).

Schätzungen im Oktober 2011 gehen davon aus, dass der Heliumvorrat im März 2013 verbraucht wird. Da alle Librationspunkte dauerhaft instabil ist und danach die Missionskontrolle nicht mehr die Bahn von Herschel korrigieren wird, überlegt die ESA was man mit der Raumsonde tun soll. Es gibt zwei Möglichkeiten die mit dem verbliebenen Hydrazin möglich sind: Das Erreichen einer Sonnenumlaufbahn oder das Lenken auf die Pole des Mondes. Eine Reise dorthin würde etwa 100 Tage dauern und die Raumsonde dauerhaft "entsorgen". Bei einer Sonnenumlaufbahn gibt es immer das Risiko, dass sie in einer fernen Zukunft trotzdem mit der Erde zusammenstößt. Mit einer Masse von 2,8 t ohne Treibstoff wird es der bisher schwerste Körper sein der seit den Saturn V-Drittstufen auf dem Mond aufschlägt.

In guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen verdampften am 29.4.2013 die letzten Reste der 2300 l Helium und die Temperaturen am Teleskop und den Detektoren stiegen an und die Beobachtungen wurden eingestellt. Pläne wie bei anderen IR Satelliten Detektoren die auch noch bei höheren Temperaturn noch brauchbare Bilder liefern weiter zu betrieben gab es seitens der ESA nicht. Damit endete die wissenschaftliche Mission von Herschel. Seit  der ersten Aufnahme im Juli 2009 hat der Astronomiesatellit insgesamt 35.000 Beobachtungen durchgeführt, aufgeteilt in 600 Programme. 500 Veröffentlichungen wurden bisher publiziert. Die gesamte Beobachtungszeit erreichte 25.000 Stunden.

Man hat sich nun entschlossen Herschel nicht auf dem Mond aufschlagen zu lassen, sondern ihn in einen stabilen Parkorbit um die Sonne im Mai zu manövrieren. Am 17.6.2013 wurde er abgeschaltet.

PlanckPlanck

Planck wurde zuerst 1992 genehmigt, damals noch mit einem Ziel eines Starts im Jahre 2003. Die Kostenabschätzungen nach der Definitionsphase führten 1996 zu einem vorläufigen Stopp. Die kosten erschienen zu hoch und so wurde das Projekt 1997 neu aufgesetzt, mit dem Ziel Kosten zu sparen. Das führte dazu, die Mission neu zu planen. Geprüft wurde auch die Option als eigenständiger Satellit oder die Integration der Instrumente in Herschel (dann nur aktiv, wenn Herschel sich zwischen zwei Beobachtungen dreht). Es kam schließlich zur heutigen Konfiguration, die zumindest Startkosten einspart und auch vom Spacecraft Bus wurde möglichst viel erneut für Planck verwendet.

Planck teilt mit Herschel zwei Punkte: Er verfügte über Instrumente, die gekühlt werden müssen und er wird in den L2 Lagrangepunkt gebracht. Seine Aufgabe ist aber eine andere. Er soll den gesamten Himmel im Bereich der 3 Kelvin Hintergrund Strahlung durchmustern. Die 3 K Hintergrundstrahlung ist das älteste Signal, das wir vom Universum kennen. Es entstand als einige Hunderttausend Jahre nach dem Urknall das Universum so kalt war, dass sich aus Protonen und Elektronen die ersten Atomkerne bildeten. Dabei wurde Wärmestrahlung frei. 13 Milliarden Jahre später hat sich das Universum ausgedehnt und diese Strahlung abkühlt, sodass sie heute nur noch eine Temperatur von 3 Kelvin hat. Das bedeutet, ihre Zentralwellenlänge liegt an der Grenze zum Infrarot bei kurzwelliger Radiostrahlung.

Diese Strahlung wurde 1965 von Penzias und Wilson entdeckt und Ende der 80 er Jahre kartierte der Satellit  COBE erstmals die Strahlung. Sie erweis sich also äußerst Isotop, also in allen Himmelsrichtungen gleich stark. Es gibt jedoch sehr kleine Fluktuationen auf dem Mikrokelvin Niveau. Diese stammen zum einen von Dichteunterschieden in dem Universum, als die Strahlung entstand. Sie liefern Informationen über den Zustand des Universums vor 14 Milliarden Jahre. Weiterhin wird die Strahlung durch Galaxien in der Sichtlinie, aber auch die Dunkle Materie beeinflusst. So soll Planck auch Details zu diesen Phänomenen liefern, insbesondere die kalte, dunkle Materie ist sonst kaum detektierbar.

Es gab zwei Missionen vor Planck mit derselben Aufgabenstellung: COBE und WMAP. Damit Herschel einen noch höheren Erkenntnisgewinn liefert, muss es noch empfindlicher sein und einen größeren Wellenlängenbereich abtasten. Herschel wird daher gekühlte Empfänger aufweisen und einen breiten Bereich von Radiowellen bis zum infraroten Spektralbereich abtasten. Ziel ist es den Himmel mindestens zweimal vollständig zu erfassen. Planck soll eine dreimal höhere Auflösung (5 anstatt 15 Bogenminuten) und eine 5-mal höhere Temperaturauflösung (ΔT/T = 1 x 10-6 anstatt 2 x 10-5). Insgesamt wird er 15-mal mehr Daten liefern und auch einen breiteren Wellenlängenbereich (10-mal kürzere Wellenlängen als WMAP) abdecken.

Die hohe Empfindlichkeit und Auflösung gestattet es nicht nur die Fluktuationen des Mikrowellenhintergrundes (und damit die Struktur des frühen Kosmos) genauer zu kartieren und damit kosmologische Modelle zu verbessern. Daneben gibt es natürlich auch Vordergrundquellen, die in diesem Wellenbereich strahlen: Galaxienhaufen, Gaswolken etc. Auch von diesen werden Messungen vorliegen und dies mit sehr hoher räumlicher Auflösung und über einen breiten Spektralbereich.

Der Satellit

Planck besteht aus einem 1.5 m x 2.0 m großen parabolischen Empfangsantenne als primäres Empfangsinstrument. Ein 1.1 x1.5 m Sekundärspiegel wirft die empfangene Strahlung dann auf die Empfänger unterhalb der Fokalebene. Die Empfänger werden gekühlt. Hinter einem Solarzellen-Array zur Stromversorgung befindet sich der Satellitenbus und danach getrennt durch mehrere V-Förmigen Blenden die Antenne. Diese Anordnung kühlt die Antenne auf 50 K herab. Die Empfänger selbst werden aktiv weiter abgekühlt auf 20 bis 0.2 K. Planck wiegt beim Start 1921 kg, ist 4.2 m hoch und ebenfalls einen maximalen Durchmesser von 4.20 m. Er enthält 256 kg Hydrazin um die Bahn um den L2-Librationspunkt zu korrigieren aber auch das Blickfeld der Teleskope zyklisch anzupassen. Dazu dienen 12 Triebwerke mit 20 N Schub und 4 kleinere Triebwerke mit lediglich 1 N Schub.

205 kg der Startmasse entfallen auf das Teleskop und die Instrumente. Der Spiegel besteht aus kohlefaserverstärktem Kunststoff und hat eine Oberflächengenauigkeit von 5 Mikrometern - Damit wäre es auch ausreichend plan, um im visuellen Sichtbereich Beobachten durchzuführen. Der nur 28 kg schwere Spiegel ist mit Aluminium überzogen und reflektiert 99.5 % der einfallenden Strahlung. Ein Schutzschild umgibt ihn, um Streulicht auszublenden. Der Spiegel selbst hat während des Betriebs nur eine Temperatur von 40K, beim Start allerdings eine von 300 K. Dies waren sehr große Anforderungen an das Material, genauso wie die Vibrationen beim Start.

Es schaut in einem Winkel von 85 Grad zur Rotationsachse seitlich auf den Himmel. Wie bei Herschel ist die 13 m² große, kreisrunde Solarzellenfläche gleichzeitig Sonnenschutzschild. Sie mit dünnen Streben am Hauptkörper befestigt, um den Temperaturfluss zu minimieren. Eine 39 AH Lithiumionen-Batterie dient zum Abpuffern von Zeiten, in denen die Panels nicht von der Sonne beschienen sind. Das Panel aus Gallium-Arsenid Solarzellen liefert 1665 Watt zu Missionsende. Die Kommunikation mit der Erde erfolgt mit 3 Niedriggewinnantennen und einer Mittelgewinnantenne. Empfangsstation ist die ESA-Bodenstation in New Norica in Australien mit einer 35-m-Empfangsantenne. Die 10 Stunden Sendezeit pro Tag teilen sich Herschel und Planck. Die Datenrate beträgt 100 KBit/s. Sender ist ein 30 Watt X-Band Sender. Für die Datenspeicherung wird wie bei Herschel ein 25 GBit Speicher. Da beide Missionen unterschiedliche Bahnen um den L2 Punkt haben ist es von der Erde aus nicht möglich parallel die Daten zu empfangen.

Die Gesamtkosten von Planck belaufen sich auf rund 700 Millionen Euro.

Die Instrumente

InstrumenteIm primären Fokus des Teleskops befindet sich ein Array aus verschiedenen Empfängern für Mikrowellenstrahlung. Sie zerfallen in zwei Hauptinstrumente: das Low Frequency Instrument (LFI) mit 22 Radiowellenempfängern. Sie werden auf 20 K gekühlt und arbeiten bei Wellenlängen zwischen 30 und 70 GHz. Die Strahlung wird zuerst in Wellenlängenleitern aufgefangen und in orthogonale Polarisationsanteile aufgeteilt. Diese beiden Informationen werden dann zu den Empfängern, Radiometern geleitet. Die Radiometer bestehen aus HEMT's (High Electron Mobility Transistors). Sie verstärken das Signal um das zehnmillionenfache. Die HEMT zeichnen sich dadurch aus, das Elektronen sich nur zweidimensional bewegen können, wodurch das Rauschen vermindert und die Empfindlichkeit erhöht wird. Planck setzt Indiumphosphid-HEMT der neuesten Generation mit Gatterlängen von 30 Nanometern ein. Um das Rauschen zu reduzieren, sind die HEMT auf 20 K gekühlt. Die 44 Empfänger haben einen Stromverbrauch von nur 0.5 Watt - da diese Wärme natürlich abgeführt und aus dem Kühlmittel entfernt werden muss ist der geringe Stromverbrauch ein großer Vorteil dieser Empfänger. Der Nachteil von HEMT ist ein niederfrequentes Rauschen. Dieses wird minimiert, indem vor und nach den Empfängern ein Referenzsignal mit einer Temperatur von 4K (der des Kühlmittels) eingebaut wird. Das Signal wird zuerst hinzugemischt und dann subtrahiert. Da das Signal genauso wie das Nutzsignal verrauscht ist, kann man durch die Subtraktion das Rauschen herausrechnen.

Das Signal wird dann durch 1.5 m lange Lichtwellenleiter geschickt und gelangt in den warmen Teil der Elektronik, wo 300 K herrschen. Dort wird es digitalisiert und verarbeitet. Nach einer weiteren Verstärkung um den Faktor 1000 wird es durch eine Diode digitalisiert. Weitere Fluktuationen in der Diode werden durch zyklisches Wechseln zwischen Himmel und Referenzsignal (4000-mal pro Sekunde) detektiert und heraus gerechnet. Nach Verarbeitung wird dann der Messwert zur Bodenstation geschickt. Der gesamte Aufwand dient dazu Schwankungen des Mikrowellenhintergrund in einem etwa 1 Million mal stärkeren Emissionen von anderen Quellen zu detektieren.

Das zweite Instrument HFI (High Frequency Instrument) erschließt den kürzerwelligen Frequenzbereich an der Grenze zum Infrarot. Es erfasst Strahlung mit einer Wellenlänge kürzer als 3 mm (100 GHz) und erstreckt sich bis zu einer Wellenlänge von 850 GHz. Die Detektoren sind hier hochempfindliche Thermometer, sogenannte Bolometer. 20 sind unpolarisiert, 32 sind für lineares polarisiertes Licht empfindlich. Die Strahlung erwärmt die Bolometer um 10 Mikrokelvin. Damit dieser niedriger Temperaturanstieg gemessen werden kann, müssen die Detektoren auf eine sehr niedrige Temperatur gekühlt werden: 0.1 K. Da im gesamten Universum es die 3 Kelvin Strahlung gibt, sind in diesem Universum alle Körper mindestens 3 K warm - auch Gas oder Atome fern jeder Galaxie, die niemals von einem Lichtphoton getroffen wurde. Anders ausgedrückt: Für mindestens 15 Monate werden die Instrumente von Planck 30-mal kälter als der Rest des Universums sein.

Im Bild rechts befinden sich die Detektoren des HFI im runden Kreis, umgeben von den Detektoren des HFI oben und in zwei Reihen unterhalb.

Zentralfrequenz {GHz]

30 GHz

44 GHz

70 GHz

100

143

217

353

545

857

Bandbreite [GHz]

6

8.8

14

33

47

72

116

180

283

Sensitivität dT/T (*1E6)

2

2.7

4.7

2

2.2

4.8

14.7

147

6700

Flus Sensitivität [mJy]

13

19

25

9

12.6

9.4

20

46

52

Gesichtsfeld [Bogenminuten]

33

24

14

9.2

7.1

5

5

5

5

Instrument

LFI, 20 K

HFI, 0.1 K

Detektoren

2

3

6

4

8

8

8

4

4

Die Erreichung dieser niedrigen Temperaturen war eine große Herausforderung. Der erste Schritt war die Abschirmung des Satelliten gegen die Wärmeaufnahme durch die Sonneneinstrahlung und auch die Infrarotstrahlung der Erde. Das geschieht durch das Solararray und drei V-Förmige Schilde, welche die Temperatur stufenweise auf 40-50 K absenken, indem sie Strahlung nach außen reflektieren. Die 20 K Stufe besteht aus einem Sorptionskühler ohne mechanisch bewegte Teile. Er besteht aus Metallhydrid Elementen, die je nach Temperatur und Druck Wasserstoffgas abgibt oder aufnimmt. Es sind immer drei Elemente im Standby, eines erwärmt sich, eines kühlt ab und einer gibt Wasserstoffgas ab. Dies ist eine regenerative Kühlung. Insgesamt 1500 Liter Helium sind für die Kühlung an Bord.

Die 0.1 K Stufe für das HFI lässt sich nicht in einem Schritt erreichen und besteht aus mehreren Kühlstufen die ineinander verschachtelt sind. Die 4K Stufe besteht aus einem Joule-Thompson Kühler, bei dem das dazu verwendete Helium-4 auf 18 Kelvin durch den Sorptionskühler vorgekühlt ist. Die letzte 0.1-K-Stufe besteht aus einem Verdampfungsprinzip auf Basis von Reibung und arbeitet mit einem endlichen Vorrat an Helium-3. Die stärkere Abkühlung im Vergleich zu Herschel macht auch klar, warum der Heliumvorat von Planck schneller erschöpft ist.

Die Mission

Planck soll den gesamten Himmel abtasten und eine Karte erstellen - wie schon die Vorgängermissionen COBE und WMAP, allerdings mit bislang unerreichter Genauigkeit. Der Satellit rotiert innerhalb einer Minute um die Achse, die zwischen Sonne-Erde-Herschel verläuft. Dabei wird ein 170-Grad-Kreissegment des Himmels abgetastet. Während der nächsten 45 Minuten überstreichen alle Sensoren dieses Kreissegment. Danach hat sich die Rotationsachse durch die Umlaufbewegung um die Sonne um 2.5 Bodenminuten, gedreht. Diese Bewegung wird kompensiert durch die Steuerdüsen der Sonde. Innerhalb von 6 Monaten soll so der gesamte Himmel einmal überstrichen werden. Dies wird dann mindestens zweimal geschehen. Die zweimalige Abdeckung erlaubt es auch, Lücken in den Beobachtungen zu kompensieren. Limitiert ist die Lebensdauer durch den Vorrat an Helium-3 und Helium-4, aber auch den Hydrazinvorrat. Vorgesehen ist eine Operationszeit von 15 Monaten im L2-Librationspunkt. 95% des Himmels sollten während der Primärmission erfasst werden. Die Messungen werden drei Monaten nach dem Start beginnen. Eine Verlängerung um ein weiteres Jahr sollte möglich sein.

Nach der Mission werden rund 1012 Messungen vorliegen. (72 Detektoren, 15.000 Messungen pro Sekunde). Diese werden zum einen zu Karten über den Himmelshintergrund, Regionen, aber auch von Punktquellen verarbeitet. Sie dienen aber auch letztendlich der Bestimmung von etwa 10 kosmopolitischen Parametern. Da Planck sein Messprogramm nicht unterbrechen kann - er muss ja dauernd den Himmel abtasten, da er in 45 Minuten das Gesichtsfeld des Teleskops überstreicht hat er einen anderen Orbit als Herschel. Er hat Funkkontakt über eine Mittelgewinnantenne mit einem Öffnungswinkel von 15 Grad. Das bedeutet: Von Planck aus darf sich die Erde um nicht mehr als 15 grad nach oben/unten oder zur Seite bewegen. Normale Bahnen um den L2-Punkt sind hochelliptisch mit einem Durchmesser von 800.000 km. Diese Bahnen scheiden bei Planck aus. Bei ihnen würde die Erde aus diesem 15 Grad Winkel heraus wandern. Damit dies nicht passiert schlägt Planck einen anderen Orbit ein, bei dem er sich maximal 280.000 km vom L2-Punkt entfernt. Dieser Orbit benötigt eine Korrektur durch die eigenen Triebwerke und daher hat Planck einen deutlich größeren Treibstoffvorrat als Herschel. Planck limitiert durch diese Bahn auch die Startfenster.

Wie bei der ISO-Mission, die auch durch das Kühlmittel begrenzt war, zeigte sich, dass die Abschätzung über die Lebensdauer zu pessimistisch war. Planck konnte seinen vierte komplette Durchmusterung abschließen und das Kühlmittel wird wahrscheinlich im Januar 2012 verbraucht sein, also 32 Monate nach dem Start oder 14 Monate später als geplant. Danach kann das HFI Instrument nicht mehr betrieben werden. Der Körper wird sich weiter erwärmen und die ESA hofft das LFI Instrument noch einige Monate bis maximal ein Jahr lang weiter zu betreiben.

Wie erwartet war am 16 Januar 2012 das Kühlmittel für LFI erschöpft. HFI wurde danach abgeschaltet. Es konnten mit beiden Instrumenten fünf komplette Durchmusterungen erfolgen, 30 Monate reine Beobachtungszeit, das doppelte des Solls. LFI wurde danach weiter betrieben und war im April 2013 noch aktiv, nach den ESA Seiten ist ein Betrieb bis Mitte 2013 gesichert. Da man die 20 K des LFI Instruments durch regenerative Kühlung erhält wird man es noch länger betreiben können, wenn man dies möchte. Auch das Weltraumobservatorium Spitzer konnte einige Detektoren die nicht so stark heruntergekühlt werden musste (für das nahe und mittlere Infrarot) noch nach erschöpfen des Kühlmittelvorrats weiter betreiben. Am 14.8.2013 wurde Planck durch Zünden seiner Triebwerke aus dem Librationspunkt manövriert und am 23.10.2013 endgültig abgeschaltet.


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.

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