Wie NASAs SPHEREx den gesamten Himmel in 102 Farben kartiert

Ein Teleskop, das das Universum in 102 Infrarot-Farbtönen sieht

Die meisten Weltraumteleskope zoomen auf bestimmte Ziele – eine ferne Galaxie, einen nahen Stern, einen einzelnen Nebel. SPHEREx (Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer) macht das Gegenteil. Das NASA-Observatorium, das am 12. März 2025 an Bord einer SpaceX Falcon 9-Rakete gestartet wurde, ist darauf ausgelegt, den gesamten Himmel in 102 Infrarotfarben während einer zweijährigen Primärmission zu fotografieren und so die detaillierteste Spektralkarte des Kosmos zu erstellen, die jemals zusammengestellt wurde.

Das Ergebnis ist nicht nur ein schönes Bild. Jede dieser 102 Wellenlängen enthält einzigartige chemische und physikalische Informationen, die es Wissenschaftlern ermöglichen, drei ehrgeizige wissenschaftliche Ziele gleichzeitig zu verfolgen: die Erforschung der Nachwirkungen des Urknalls, die Suche nach den Bausteinen des Lebens im interstellaren Raum und die Katalogisierung von Hunderten Millionen von Galaxien in drei Dimensionen.

Wie SPHEREx funktioniert – Spektroskopie trifft auf Fließband

Das Herzstück des Raumfahrzeugs ist ein bescheidenes 20-Zentimeter-Aluminiumteleskop – etwa der Durchmesser eines Esstellers – gepaart mit sechs Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Detektorarrays. Das Teleskop wird strahlungsgekühlt auf etwa 80 K (−193 °C), wobei die Detektoren noch weiter auf 55 K gekühlt werden, damit sie schwache Infrarotsignale ohne Störung durch die Eigenwärme des Raumfahrzeugs empfangen können.

SPHEREx verwendet eine Technik namens Spektralphotometrie. Anstatt eine Breitbandaufnahme zu machen, bildet es denselben Himmelsstreifen 102 Mal separat ab, jedes Mal durch einen anderen Schmalbandfilter. Stellen Sie sich vor, Sie fotografieren jeden Fleck des Universums durch 102 unterschiedlich getönte Linsen. Die Filter decken Wellenlängen von 0,75 bis 5,0 Mikrometern ab und decken damit nahes Infrarotlicht ab, das für das menschliche Auge unsichtbar ist.

Während das Raumfahrzeug von Pol zu Pol kreist, erfasst es ungefähr 3.600 Bilder pro Tag entlang eines kreisförmigen Streifens. Die Bewegung der Erde um die Sonne verschiebt das Sichtfeld allmählich, sodass SPHEREx nach sechs Monaten den gesamten Himmel einmal gescannt hat. Während seiner zweijährigen Mission wird es vier vollständige Himmelsdurchmusterungen abschließen, wobei jeder Durchgang die Empfindlichkeit und Präzision der Daten verbessert.

Ziel 1: Fingerabdrücke des Urknalls

Eine der tiefgreifendsten Fragen in der Kosmologie ist, was in der ersten Sekundenbruchteil nach dem Urknall geschah. Die führende Theorie – die kosmische Inflation – besagt, dass sich das Universum in weniger als einem milliardstel Billionstel Billionstel einer Sekunde um den Faktor einer Billion Billionen ausgedehnt hat. Dieses explosive Wachstum sollte subtile statistische Muster in der Art und Weise hinterlassen haben, wie Galaxien im Raum verteilt sind.

SPHEREx wird die Positionen und Entfernungen von mehr als 450 Millionen Galaxien messen und eine 3D-Karte erstellen, die groß genug ist, um konkurrierende Inflationsmodelle zu testen. Einige Galaxien in der Durchmusterung sind so weit entfernt, dass ihr Licht 10 Milliarden Jahre gebraucht hat, um das Teleskop zu erreichen, was einen Einblick in die tiefe Vergangenheit des Universums bietet.

Ziel 2: Kartierung von interstellarem Eis

Das Leben auf der Erde hängt von Wasser, Kohlendioxid und organischen Molekülen ab – und alle können gefroren auf winzigen Staubkörnern gefunden werden, die durch den interstellaren Raum driften. Die Infrarotsicht von SPHEREx ist speziell darauf abgestimmt, die chemischen Signaturen von Wassereis, Kohlendioxideis, Kohlenmonoxideis und Methanol zu erkennen.

Frühe Ergebnisse wurden bereits geliefert. In seinem ersten Jahr kartierte SPHEREx interstellare Eisvorkommen in Regionen der Milchstraße, die mehr als 600 Lichtjahre breit sind, einschließlich des turbulenten Sternentstehungskomplexes Cygnus X. Diese „interstellaren Gletscher“ befinden sich in riesigen Molekülwolken, in denen neue Sterne und Planetensysteme entstehen – was bedeutet, dass das eisige Material, das SPHEREx verfolgt, schließlich Teil zukünftiger Planeten, Ozeane und vielleicht des Lebens werden könnte.

Ziel 3: Das verborgene Leuchten von Galaxien

Über einzelne Galaxien hinaus misst SPHEREx den kosmischen Infrarothintergrund – das kollektive Leuchten, das von allen Galaxien erzeugt wird, einschließlich derer, die zu schwach oder zu weit entfernt sind, um sie einzeln zu beobachten. Durch die Analyse von Fluktuationen in diesem Hintergrundlicht können Wissenschaftler mehr über Galaxienpopulationen erfahren, die noch nie direkt entdeckt wurden, und so Lücken in unserem Verständnis der kosmischen Geschichte schließen.

Warum SPHEREx wichtig ist

Während das James-Webb-Weltraumteleskop sich durch tiefe, enge Beobachtungen einzelner Ziele auszeichnet, tauscht SPHEREx Tiefe gegen Breite. Sein All-Himmel-Ansatz bedeutet, dass jeder Astronom – von Kosmologen bis hin zu Planetenforschern – seine öffentlich zugänglichen Daten nach neuen Entdeckungen durchsuchen kann. Die Mission hat bereits unerwartete Strukturen in der interstellaren Eisverteilung aufgedeckt und wird voraussichtlich noch Jahrzehnte nach Abschluss ihrer endgültigen Durchmusterung Erkenntnisse liefern.

Für ein Raumfahrzeug mit einem Spiegel, der nicht größer als ein Essteller ist, beantwortet SPHEREx einige der größten Fragen der Wissenschaft: Wie hat das Universum begonnen? Woher kommt das Wasser? Und wie viele Galaxien gibt es wirklich?