Ein Raumschiff rast aus dem Sonnensystem und bewegt sich schneller als jede Rakete, Sonde oder jedes Instrument, das wir zuvor ins All geschossen haben. Es ist auf einer gewagten Mission, einige der grundlegendsten Fragen über das Universum ein für alle Mal zu beantworten. „Wir alle fragen sie, seit wir sechs Jahre alt sind“, sagt Slava Turyshev vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. „Gibt es andere Planeten? Können wir sie sehen? Gibt es Leben?“
Astronomen haben unser Verständnis unseres Platzes im Universum im letzten Vierteljahrhundert revolutioniert. 1995 fanden sie ihren ersten außerirdischen Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreiste. Es hat ihren Appetit so sehr geweckt, dass wir sie seitdem jagen. Nach der letzten Zählung befinden sich über 4.000 dieser Exoplaneten in unseren Datenbanken. Einige von ihnen scheinen sogar ähnliche Eigenschaften wie die Erde zu haben – ähnlich in Größe und Temperatur. Das beschleunigt den Puls und macht oft Schlagzeilen, denn wenn Leben auf unserem Planeten gedeihen kann, könnte es dasselbe auf einem exoplanetaren Cousin tun.
Aber für Turyshev gibt es einen frustrierenden Haken. „Wir schließen auf diese Planeten – wir sehen sie nicht“, sagt er. Potenziell erdähnliche Exoplaneten sitzen oft Hunderte von Lichtjahren entfernt. Das ist uns zu weit, um sie direkt zu sehen. Stattdessen müssen wir ihre Anwesenheit herauskitzeln, normalerweise indem wir sehen, wie das Licht ihres Sterns ganz leicht schwächer wird, wenn der Planet vor uns vorbeizieht, oder sehen, wie der Stern aufgrund der Anziehungskraft des Planeten wackelt.
Sogar das Scannen von Sternenlicht, das durch die Atmosphäre des Planeten nach Anzeichen von Sauerstoff und Wasser strömt, ist anfällig für Fehlalarme. Das macht es für Astronomen sehr schwierig, den endgültigen Beweis zu erbringen, dass diese Planeten tatsächlich die Bühne für das große Theater des Lebens sind. Wer sagt, dass sie nicht nur leblose Luftspiegelungen in der kosmischen Wüste sind? Kein Wunder, dass wir uns nach einem genaueren Blick sehnen.
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Die Herausforderung, einen erdähnlichen Exoplaneten abzubilden – auch nur als einzelnes Pixel auf einem Foto – ist immens. „Wenn ich eine andere Erde aus 100 Lichtjahren Entfernung sehen will, brauche ich ein Teleskop mit 90 Kilometern Durchmesser“, sagt Turyshev. Sein Spiegel würde eine Fläche abdecken, die größer ist als London, Paris, New York und Tokio zusammen. Die derzeit größten Teleskope der Erde haben Spiegel mit einem Durchmesser von etwa 10 m.
Selbst das neue Extremely Large Telescope, das derzeit in Chile gebaut wird, wird nach seiner Fertigstellung im Jahr 2025 „nur“ einen 39-Meter-Spiegel haben. “, sagt Turyshev. Wenn wir ein detaillierteres Bild wollen – die Art, die uns etwas Nützliches über den Planeten verraten würde – müsste der Durchmesser noch weiter zunehmen.
Es ist jedoch nicht alles verloren. Turyshev ist der Kopf hinter einer kühnen Idee, ein astronomisches Schlupfloch auszunutzen – etwas, das er als „ein Geschenk der Natur“ bezeichnet. Er arbeitet an einer brandneuen Methode, um einen erdähnlichen Exoplaneten abzubilden, indem er das Größte im Umkreis von Lichtjahren verwendet:die Sonne.
Massive Objekte wie die Sonne verzerren das Raumgefüge um sie herum. Die Erde zum Beispiel ist in der Schwerkraft der Sonne gefangen, weshalb wir in der Umlaufbahn um sie herum festsitzen. Jedes Licht, das sich dem Sonnensystem von anderswo nähert, ist gezwungen, dieser lokalen Raumkrümmung zu folgen. Das Licht wird durch einen Effekt, der Gravitationslinseneffekt genannt wird, um die Sonne herum gebogen.
Wie ein riesiges Vergrößerungsglas verstärkt die Sonne das Licht entfernter Exoplaneten um das bis zu 100-Milliardenfache. Um ein Bild des Exoplaneten zu sehen, müssen wir nur ein Raumschiff in die Region bringen, in der die Sonne ihr Licht fokussiert.
Es ist das riesige Teleskop des Universums – eines, von dem Astronomen nur träumen konnten, es zu bauen. Die Sonne übernimmt so viel von der Schwerlast, dass das Raumschiff, das wir schicken, um das Licht einzufangen, nur einen 1-Meter-Spiegel benötigen würde – weniger als die Hälfte des Durchmessers des Spiegels im Hubble-Weltraumteleskop.
Das Potenzial für diese Art von Technik ist riesig. Anstatt den ganzen Planeten als ein einzelnes Pixel zu sehen, zeigen Turyshevs Berechnungen, dass wir durch die Verwendung der Sonne eine Auflösung von 20 km pro Pixel erreichen könnten. „Wir könnten Kontinente, Ozeane und Wettermuster sehen“, sagt er. Auch Wälder und Wüsten tauchten auf.
Eine Großstadt wie London würde mehr als ein Pixel einnehmen. So können wir vielleicht feststellen, dass Regionen ihre Helligkeit ändern, wenn die Nacht hereinbricht und die Lichter einer fremden Stadt zu leuchten beginnen. „Mit einer Solar-Gravitationslinse wird das alles möglich“, sagt Turyshev.
Wir wären jedoch darauf beschränkt, nur ein außerirdisches Sonnensystem pro Mission zu erkunden. „Wir werden nicht in der Lage sein, auf einen neuen Stern umzuzielen“, sagt Turyshev. Die erforderliche genaue Ausrichtung bedeutet, dass der Planet, den Sie abbilden möchten, in einer direkten Linie hinter der Sonne stehen muss. Normalerweise steuern wir auf einen Planeten zu, den wir erkunden möchten, aber dafür müssten wir ihn in genau der entgegengesetzten Richtung verlassen.
Die Sondierung eines anderen Sternensystems mit demselben Raumschiff würde den Umzug in eine andere Region des Weltraums erfordern, was den Rahmen von Turyshevs ursprünglichem Vorschlag sprengen würde. Wir wären jedoch in der Lage, mehrere Planeten zu erforschen, die denselben Stern umkreisen.
Das System TRAPPIST-1 könnte ein vielversprechender erster Kandidat sein. Wir wissen bereits, dass es dort sieben ungefähr erdgroße Planeten gibt, und wir könnten sie einen nach dem anderen als Teil derselben Mission abbilden. Die Zusammenstellung jedes Planetenporträts würde etwa acht Monate dauern.
Bei einer so großen voraussichtlichen Auszahlung fragen Sie sich vielleicht, warum dies nicht bereits versucht wurde. Der Grund dafür ist, dass es sich um eine enorme technische Herausforderung handelt. Die Gravitationslinse der Sonne bringt das Licht eines typischen Exoplaneten zu einem beobachtbaren Fokus in etwa 650 astronomischen Einheiten (AE) Entfernung, wobei eine AE die Entfernung zwischen Sonne und Erde ist.
Zum Vergleich:Neptun, der am weitesten entfernte bestätigte Planet in unserem Sonnensystem, umkreist die Sonne in einer durchschnittlichen Entfernung von 30 AE. Die Sonde Voyager 1, das bisher am weitesten von der Erde entfernte Raumschiff, hat seit ihrem Start im Jahr 1977 nur eine Entfernung von 150 AE erreicht eine Rate von etwas mehr als 3 AU pro Jahr auf dem Weg zu Pluto. Bei ähnlichen Geschwindigkeiten würde es fast 200 Jahre dauern, bis der Fokus der Linse erreicht ist.
„Wir müssen in der Lage sein, in einem Menschenleben dorthin zu gelangen“, sagt Turyshev. Nicht zuletzt, weil es nur fair ist, dass die Menschen, die das Raumschiff bauen, die Früchte ihrer Arbeit sehen. Auch jeder innere Sechsjährige ist ungeduldig – wir wollen so schnell wie möglich Antworten auf diese bleibenden Fragen der Kindheit.
Um dies zu erreichen, müssen wir uns von der Art des Antriebs entfernen, die wir normalerweise für interplanetare Missionen verwenden. Stattdessen könnte ein mit einem Sonnensegel ausgestattetes Raumschiff Geschwindigkeiten von 25 AE pro Jahr erreichen, was uns in etwa einem Vierteljahrhundert dorthin bringen würde.
Sonnensegel funktionieren ähnlich wie die Segel eines Bootes, sie fangen die Böen des Sonnenwindes ein, die von der Sonne ausgeblasen werden, oder reiten auf dem Jetstream des Lichts – Sonnenpartikel, die auf die Segel treffen, treiben das Fahrzeug genauso an wie Luftpartikel Erde.
„Missionen wie Japans IKAROS und [The Planetary Society’s] LightSail haben Sonnensegel bereits erfolgreich im Weltraum demonstriert“, sagt Turyshev. „Wir haben bereits die Technologie, die wir dafür brauchen.“ Sein vorgeschlagenes Raumschiff würde mit 16 Segeln ausgestattet sein, jedes mit einer Fläche von 1.000 m. Die NASA ist scharf genug auf die Idee, seine Arbeit mit Mitteln aus ihrem Innovative Advanced Concepts-Programm zu unterstützen.
Prof. Lewis Dartnell, ein Astrobiologe an der University of Westminster, ist von der Aussicht begeistert. „Wenn wir eine solche futuristische Technologie bauen könnten, wäre das ein absoluter Segen für die Astrobiologie“, sagt er. „Dies würde Astronomen eine enorme Möglichkeit geben, einzuschätzen, wie bewohnbar der Exoplanet sein könnte.“
Dr. Nicholas Rattenbury von der University of Auckland in Neuseeland stimmt dem zu. „Auf einer Exowelt Merkmale zu entdecken, die wir mit einer Biosphäre in Verbindung bringen könnten, wäre sensationell“, sagt er. Obwohl sein Enthusiasmus mit einer vorsichtigen Note gemildert wird. „Dies wäre eine äußerst herausfordernde Mission – sie stellt eines der ehrgeizigsten Ziele dar, die ich bei der Entdeckung von Exoplaneten gesehen habe.“
Was ist also der nächste Schritt auf dem Weg, einen so komplexen Traum Wirklichkeit werden zu lassen? Turyshev plant, eine Technologie-Demonstrationsmission zu fliegen – eine verkleinerte Version, um zu zeigen, dass das Sonnensegel-Antriebssystem im Prinzip funktionieren könnte.
„Es würde Geschwindigkeiten von 7 AE pro Jahr erreichen – das Doppelte des aktuellen Rekords“, sagt er. Wenn das gut geht, hofft er, dass wir das Raumschiff bis 2035 wirklich starten können, was bedeutet, dass es etwa 2060 im Brennpunkt der Sonnengravitationslinse ankommen würde. „Es ist ein aggressiver Zeitplan, aber wir haben bereits alle Zutaten an Ort und Stelle – wir Sie müssen sie nur zusammenfügen“, sagt er.
Wir müssen vielleicht eine Weile warten, aber Geduld ist Teil des Prozesses. „Die Suche nach einer anderen Erde ist eine generationenlange Suche“, sagt Prof. Sara Seager, Exoplanetenjägerin am Massachusetts Institute of Technology.
Aber wir müssen heute schon an die Teleskope von morgen denken. „Wir wollen zu 100 Prozent in brandneue Technologien investieren – [sie werden] benötigt, wenn wir faszinierende Entdeckungen, die wir in dieser Generation machen, weiterverfolgen wollen“, sagt sie. Ein Grund mehr, weiterhin faszinierende Systeme wie TRAPPIST-1 zu katalogisieren, damit wir bereit sind, wenn später in diesem Jahrhundert neue Missionen online gehen.
Zufälligerweise würde Turyshevs vorgeschlagener Zeitplan das erste Bild nicht lange nach dem hundertsten Jahrestag des Starts von Sputnik 1, dem ersten Satelliten, der die Erdumlaufbahn erreichte, zurückgeben. Wenn wir nur 100 Jahre brauchen, um vom Eintauchen unseres Zehs in die himmlischen Gewässer zum Fotografieren weitläufiger Metropolen auf fremden Planeten zu gelangen, könnte es dann andere Zivilisationen geben, die ihre eigene Sonnengravitationslinse verwenden, um auf die Erde zu blicken? „Auf jeden Fall“, sagt Turyshev. „Ich habe keinen Zweifel, dass es irgendwo anders in der Galaxie Menschen gibt, die wissen, wie wir hier leben.“
Dank seiner Arbeit ist es möglicherweise nur eine Frage der Zeit, bis wir einem Club von Astronomen beitreten, dessen Mitglieder sich über das Sonnensystem hinaus erstrecken, und wir endlich Antworten auf die Fragen erhalten, die unsere inneren Kinder nicht aufhören zu stellen.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 362 des BBC Science Focus Magazine – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können
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