NASAs Roman-Weltraumteleskop startet zur Jagd auf Dunkle Energie

Um 7:26 Uhr EDT am Sonntag, dem 30. August, hob eine Falcon Heavy von SpaceX vom Launch Complex 39A am Kennedy Space Center der NASA in Florida ab – mit einem Observatorium an Bord, auf das Astronominnen und Astronomen fast ein Jahrzehnt gewartet haben. NASAs Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop befindet sich nun auf einer rund dreimonatigen, eine Million Meilen weiten Reise zum zweiten Sonne-Erde-Lagrange-Punkt L2, wo es die breiteste und schnellste Durchmusterung des Infrarothimmels beginnen soll, die je versucht wurde.

Zum Weiterlesen: NASA fragt die Industrie, ob kommerzielle Raumschiffe Hubble anheben oder außer Dienst stellen könnten · NASA wählt PRIMA, ein Milliarden-Dollar-Ferninfrarot-Teleskop, für einen Start 2033.

Der Start selbst war aus mehr als nur technischen Gründen ein Meilenstein. Die NASA rechnet damit, dass Romans Datenstrom von 1,4 Terabyte pro Tag der größte ist, den eine Astrophysik-Mission der Behörde je erzeugt hat – und die Mission erreichte die Startrampe rund neun Monate früher als ursprünglich geplant. Die Startmitteilung der Behörde beschreibt einen planmäßigen Flug: Die Bodenteams am Goddard Space Flight Center empfingen sieben Minuten nach dem Abheben erste Telemetriedaten, die zweite Stufe der Falcon Heavy trennte sich 31 Minuten nach dem Start vom Observatorium, und beide Seitenbooster kehrten zur Startanlage zurück, um überholt zu werden.

Ein Hubble-großer Spiegel mit radikal größerem Auge

Roman wird oft als „Hubble mit Weitwinkel" vorgestellt, und genau darin liegt der Punkt. Der Hauptspiegel ist 2,4 Meter groß – genauso groß wie der von Hubble – und die Bilder haben eine vergleichbar scharfe Auflösung. Der Unterschied ist das Blickfeld. Das Wide Field Instrument, eine Infrarotkamera mit 300 Megapixeln, erfasst einen Himmelsausschnitt, der mindestens 100-mal größer ist als der, den Hubble in einer einzelnen Aufnahme schafft. Ein einziges Roman-Bild enthält damit den Detailreichtum von etwa 100 Hubble-Aufnahmen und deckt eine Fläche ab, die größer ist als die scheinbare Größe des Vollmonds.

Dieser Tausch – gleiche Schärfe, enorm viel mehr Himmel pro Aufnahme – verwandelt die Astronomie von einer Abfolge gezielter Beobachtungen in ein statistisches Unterfangen. Dunkle Energie, jener rätselhafte Druck, der die Expansion des Universums beschleunigen soll, zeigt sich nur im Großen: in den Formen und Entfernungen hunderter Millionen Galaxien, der Helligkeit tausender ferner Supernovae, der subtilen Krümmung der Raumzeit um Vordergrundmassen. Um das präzise zu messen, braucht es gewaltige, einheitliche Datensätze – und genau dafür ist ein Weitfeld-Durchmusterungsteleskop gebaut.

Die Missionsseite der NASA erklärt, Roman werde über seine Lebensdauer das Licht von einer Milliarde Galaxien messen; die Behörde erwartet, dass die Mission Milliarden kosmischer Objekte katalogisiert und in fünf Jahren mehr als 50-mal so viel Himmel abbildet wie Hubble in 30 Jahren. Die drei zentralen Gemeinschaftsdurchmusterungen sind bereits in einem begutachteten Verfahren festgelegt: eine weite extragalaktische Bildgebungs- und Spektroskopie-Durchmusterung über rund 2.000 Quadratgrad, eine Zeitbereichs-Durchmusterung, die dieselben Felder wiederholt abtastet, und eine Durchmusterung des galaktischen Bulges, die mithilfe von Mikrolinseneffekten Planeten aufspürt.

Der Exoplaneten-Fund ist ein Nebeneffekt

Romans Exoplaneten-Wissenschaft ist gewissermaßen ein Nebenprodukt derselben breiten Durchmusterung. Der Blick auf das dicht besiedelte Zentrum der Milchstraße lässt das Teleskop auf die kurze Aufhellung warten, die entsteht, wenn die Schwerkraft eines Planeten einen Hintergrundstern vergrößert – eine als Mikrolinseneffekt bekannte Technik, die besonders gut Welten findet, die weit von ihren Sternen entfernt sind und in den kalten Außenbereichen ihrer Systeme kreisen. Die NASA erwartet, dass Roman auf diese Weise mehr als 1.000 Exoplaneten findet, und zusätzlich schätzungsweise 100.000 weitere über die Transitmethode, bei der Planeten vor ihren Sternen vorbeiziehen.

Das Teleskop trägt außerdem ein Koronografen-Instrument, eine Technologiedemonstration, die das Blendlicht eines Sterns blockieren soll, damit schwache, eng umlaufende Planeten direkt abgebildet werden können. Es ist ausdrücklich ein Testfeld und kein garantiertes wissenschaftliches Instrument – aber wenn es funktioniert, wird es zum Bauplan für künftige Missionen, die irgendwann in Exoplaneten-Atmosphären nach Lebensspuren suchen könnten.

Die Astronomie hat immer von neuen Augen profitiert. Romans Beitrag ist nicht, dass es schwächer sieht als Hubble – sondern dass es weit mehr auf einmal sieht.

Die Durchmusterungsmaschine in Zahlen

Die Designentscheidungen hinter Romans drei Kerndurchmusterungen verdienen eine genauere Betrachtung, denn sie erklären, warum die Mission eher als Durchmusterungsmaschine denn als Kamera beschrieben wird. Die High-Latitude Wide-Area Survey soll rund 2.000 Quadratgrad extragalaktischen Himmels abdecken – etwa das 40-Fache der Fläche des Vollmonds –, und zwar mit Bildgebung und spaltloser Spektroskopie über mehrere Nahinfrarotfilter und ein Gitter. Die Himmelszeitbereichs-Durchmusterung sucht dieselben Felder wiederholt auf und erstellt Lichtkurven, die explodierende und flackernde Objekte einfangen; die Planungsdokumente der Mission gehen von einer Kadenz von etwa fünf Tagen und einer Ausbeute von mehr als 500 Typ-Ia-Supernovae pro Monat aus. Die Zeitbereichs-Durchmusterung des galaktischen Bulges richtet das Teleskop auf ein Fenster geringer Extinktion nahe dem Zentrum der Milchstraße.

Diese Supernovae sind das Arbeitstier für die Dunkle Energie. Da eine Typ-Ia-Supernova eine vorhersagbare intrinsische Helligkeit hat, verrät ihre beobachtete Lichtschwäche, wie weit entfernt sie ist, und zusammen mit ihrer Rotverschiebung, wie schnell das Universum expandierte, als das Licht sie verließ. Tausende von ihnen über die kosmische Zeit zu stapeln, erlaubt es, die Expansionsgeschichte zu rekonstruieren – und nach Veränderungen zu suchen, die eine einfache kosmologische Konstante nicht erklärt. Die Planer von Roman haben erklärt, die Kombination aus Bildgebung und Spektroskopie solle die Unsicherheit der Zustandsgleichung der Dunklen Energie um rund 70 Prozent senken und prüfen, ob die jüngste Expansionsrate geschwankt hat.

Wo Roman in das neue Durchmusterungszeitalter passt

Roman kommt in ein ungewöhnlich belebtes Feld. Auf dem Boden durchmustert das Vera-C.-Rubin-Observatorium bereits Nacht für Nacht den sichtbaren Himmel. Im Weltraum kartiert Euclid der Europäischen Weltraumorganisation die Geometrie von Dunkler Materie und Dunkler Energie im sichtbaren und nahen Infrarotbereich. Romans Nische sind Tiefe, Auflösung und Infrarotreichtweite: Sie liefert Bildgebung und Spektroskopie in Hubble-Qualität in einem Maßstab, den keiner der anderen erreicht, und ihre Daten werden auf deren Daten aufgeschichtet.

Diese Überschneidung ist gewollt. Verschiedene Durchmusterungen sehen verschiedene Objekte, in verschiedenen Entfernungen, mit unterschiedlicher Systematik. Eine bodengestützte optische Erhebung mit einer weltraumgestützten Infrarotdurchmusterung zu kombinieren, ist die Art und Weise, wie Astronominnen und Astronomen Verzerrungen aufspüren und korrigieren, die sonst als kosmologisches Signal durchgehen würden. Romans Entscheidung, alle Daten ohne Sperrfrist zu veröffentlichen, ist eine ausdrückliche Wette darauf, dass der schnellste Weg, 20 Petabyte zu nutzen, darin besteht, die gesamte Gemeinschaft gleichzeitig darauf anzusetzen.

Das Datenproblem ist die eigentliche Ingenieursgeschichte

Die Schlagzeilenzahl, die Romans Betriebsleben prägen wird, lautet 1,4 Terabyte pro Tag. Laut dem Missions-Pressematerial der NASA ist das das höchste tägliche Datenvolumen einer NASA-Astrophysikmission bisher und summiert sich über die fünfjährige Primärmission auf etwa 20 Petabyte. Zum Vergleich: Hubble hat in mehr als drei Jahrzehnten etwas über 400 Terabyte produziert.

Dieses Volumen erzwingt eine andere Arbeitsweise. Das Space Telescope Science Institute (STScI) hat eigens eine cloudbasierte Analyseplattform eingerichtet, den Roman Research Nexus, weil es unpraktikabel ist, das gesamte Archiv auf einen Laptop – oder auch auf einen Institutscluster – herunterzuladen. Stattdessen streamen und analysieren Forschende die Daten dort, wo sie liegen, und laden nur die Produkte herunter, die sie brauchen. Alle Roman-Daten werden ohne Schutzfrist veröffentlicht und zügig an das Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes übergeben, das auf AWS läuft.

Das ist ein echter Kulturwandel für ein Feld, das darauf aufgebaut ist, Dateien herunterzuladen und Pipelines lokal laufen zu lassen. Es ist zugleich eine Vorschau darauf, wohin die Infrastruktur der Großwissenschaft steuert: Die größte Einschränkung ist längst nicht mehr das Teleskop, sondern die Software, die Bandbreite und die menschliche Aufmerksamkeit, die nötig sind, um aus dem, was nach Hause gesendet wird, Sinn zu ziehen.

Ein Programm, das die üblichen Fallen vermeidet

Romans Weg zur Startrampe ist selbst bemerkenswert. Die Mission wurde 2020 nach Nancy Grace Roman benannt, NASAs erster Chefastronomin und treibender Kraft hinter dem Great-Observatories-Programm der Behörde. Sie überstand jahrelangen Budgetdruck – damals noch unter dem Namen WFIRST – und erreichte die Rampe vor dem Zeitplan, eine Seltenheit in der Flaggschiff-Weltraumforschung.

Das industrielle Team spiegelt diesen großen Anspruch wider: BAE Systems, L3Harris in Rochester im Bundesstaat New York und Teledyne Scientific & Imaging in Thousand Oaks, Kalifornien, sind die Hauptpartner. Die Kosten von rund 4 Milliarden Dollar sind erheblich, liegen aber deutlich unter denen der größten Observatorien – ein Ausdruck eines Designs, das einen vom National Reconnaissance Office bereits gebauten Spiegel wiederverwendet.

Die offene Frage ist nicht, ob Roman Wissenschaft produzieren wird – das wird sie –, sondern ob das Feld ihre Ergebnisse aufnehmen kann. Eine Mission, die 20 Petabyte erzeugt und alles sofort veröffentlicht, ist Segen und Bürde zugleich. Sie wird Teams belohnen, die früh Analysekapazität aufbauen, und die Annahme bestrafen, ein einzelner Doktorand mit Laptop könne die Auswertung stemmen.

Was zu beobachten ist

Drei Dinge werden im kommenden Jahr zeigen, wie es um Roman steht. Erstens der Inbetriebnahme-Bericht: Die NASA wird bestätigen, dass Wide Field Instrument und Koronograf den Start überstanden haben und wie geplant funktionieren. Zweitens die ersten Durchmusterungsdaten: Beobachten Sie, wie schnell das Archiv nutzbar wird und ob das Cloud-First-Modell die Hürde für kleinere Einrichtungen tatsächlich senkt. Drittens die ersten kosmologischen Ergebnisse: Eine frühe Messung der Dunklen Energie ist die Visitenkarte der Mission und wird die Erwartungen für das nächste Jahrzehnt setzen.

Im Moment ist die unmittelbare Tatsache einfacher. Ein Teleskop, benannt nach der Person, die NASAs Astronomieprogramm aufgebaut hat, ist auf dem Weg zu jenem dunklen, stillen Punkt hinter dem Mond – und das lange Warten auf seine erste Durchmusterung hat begonnen.