Ein Planetenteleskop würde die Erdatmosphäre als riesige Linse nutzen

Aus Abbildung 12 des Artikels – Beispiele für Wolkenkarten, die aus den Daten des effektiven Wolkenanteils als Funktion der Höhe erstellt wurden Das 'Terraskop': Über die Möglichkeit, die Erde als atmosphärisches Objektiv zu nutzen

Teleskope sind teure Geräte. Das riesige Magellan-Teleskop, das derzeit in der Atacama-Wüste in Chile gebaut wird, wird einen 25-Meter-Spiegel haben und rund 1 Milliarde US-Dollar kosten. Das geplante 30-Meter-Teleskop auf dem Mauna Kea in Hawaii wird schätzungsweise 2 Milliarden US-Dollar kosten.

Weltraumteleskope sind sogar noch teurer. Das viel verspätete James-Webb-Weltraumteleskop, das Hubble im Jahr 2021 ersetzen soll und über einen 6,5-Meter-Spiegel verfügt, kostet über 10 Milliarden US-Dollar.

Astronomen suchen also nach innovativen neuen Wegen, um den Himmel abzubilden, die die Erde nicht kosten.

Betreten Sie David Kipping von der Columbia University in New York, der heute vorschlägt, die Erdatmosphäre zu nutzen, um astronomisches Licht zu fokussieren. Seine Idee ist, den gesamten Planeten als eine Art riesige Linse zu verwenden und ein Weltraumteleskop im Brennpunkt zu platzieren, um die Bilder aufzunehmen. Dieses Teleskop – das Terraskop – hätte die Lichtstärke eines 150-Meter-Teleskops auf der Erde zu einem Bruchteil der Kosten.

Zuerst etwas Hintergrund. Astronomen wissen seit langem, dass die Atmosphäre Licht beugt, das sie durchdringt. Eine untergehende Sonne steht aufgrund dieses Effekts etwas mehr als ein halbes Grad niedriger, als sie erscheint, schreibt Kipping.

Seine Idee ist es, diesen Effekt auf planetarischer Ebene zu nutzen. Ein Beobachter in oder jenseits einer Entfernung von ungefähr dem Erd-Mond-Abstand wäre in der Lage, die Erde als Brechungslinse zu nutzen, schreibt er.

Eine solche Linse wäre komplex. Also hat Kipping einige Zeit damit verbracht, seine Eigenschaften zu studieren und zu simulieren und wie sie in einem riesigen Terraskop ausgenutzt werden könnten. Die Herausforderungen sind vielfältig.

Zunächst einmal krümmt oder bricht die Atmosphäre das Sternenlicht, wenn es hindurchgeht. Aber das Ausmaß der Brechung hängt von der Dichte der Atmosphäre ab, die mit der Höhe über der Oberfläche variiert. Licht, das die obere Atmosphäre streift, wird also weniger gebrochen als Licht, das tiefer in die Atmosphäre eindringt.

Aber verschiedene Faktoren begrenzen, wie tief Licht in die Atmosphäre eintauchen kann. Das offensichtlichste ist, dass das Licht der Erde selbst ausweichen muss. Aber Wolken absorbieren auch Licht, also muss jedes gebrochene Licht hoch genug über der Oberfläche sein, um sie zu vermeiden.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist, dass die Atmosphäre und die darin enthaltenen Aerosole usw. Licht bei bestimmten Frequenzen absorbieren. Also musste Kipping ausrechnen, wie viel bei diesem Prozess verloren gehen könnte.

Die Atmosphäre leuchtet auch schwach, was das Licht entfernter astrophysikalischer Quellen ersticken könnte. Dieses Leuchten der Luft, das Ergebnis von Prozessen wie der Rekombination von Molekülen, die durch Sonnenlicht dissoziiert werden, bedeutet, dass der Nachthimmel niemals vollständig dunkel ist.

Aber Kipping weist darauf hin, dass der größte Teil dieses Lichts durch einen Koronographen blockiert werden könnte – im Wesentlichen eine kleine Scheibe auf dem Terraskop, die das Licht von der Erde und sogar von den unteren Bereichen der Atmosphäre blockiert, wo keine hilfreiche Linsenwirkung auftritt.

Eine weitere Variable ist, dass sich die Atmosphäre ausdehnt oder zusammenzieht, wenn es wärmer oder kälter ist. Das würde die Brennweite des Terraskops verändern. Daher wäre es wichtig, die optimale Umlaufbahn für das Gerät zu finden.

Kipping untersucht all diese Effekte und mehr. Seine Berechnungen legen nahe, dass ein Ein-Meter-Weltraumteleskop in einer Entfernung von 360.000 Kilometern – das ist etwas näher als der Mond – optimal wäre. Ein solches Gerät soll Licht sammeln, das nicht weiter als 14 Kilometer in die Erdatmosphäre eingetaucht ist, und so weit über den Wolken bleiben.

Mit dem Planeten als Linse würde das gebündelte Licht bei einer Belichtungszeit von 20 Stunden um den Faktor 45.000 verstärkt. Das entspricht der Verstärkung eines bodengestützten Teleskops mit einem Durchmesser von 150 Metern.

Kipping kommt zu dem Schluss, dass ein Terraskop ein erhebliches Potenzial hat. Obwohl er die Kosten einer solchen Maschine nicht berechnet, schlägt er vor, dass ein 100-Meter-Teleskop auf der Erde rund 35 Milliarden Dollar kosten würde, eine Summe, die das gemeinsame Budget der NASA und der National Science Foundation übersteigt.

Wäre es möglich, ein Ein-Meter-Teleskop in einer Entfernung von 360.000 Kilometern für weniger Geld zu bauen, zu starten und zu betreiben?

Wahrscheinlich. Eines der erfolgreichsten Observatorien der letzten Jahre war das Kepler-Weltraumteleskop, das zahlreiche erdähnliche Planeten suchte und fand, die andere Sterne umkreisen. Dieser umkreiste die Sonne und nicht die Erde, über 150 Millionen Kilometer von zu Hause entfernt. Die Mission dauerte neun Jahre, bis ihr der Treibstoff ausging, und kostete nur 550 Millionen Dollar.

Wenn man sich diese Zahlen ansieht, könnte ein Terraskop ein bemerkenswertes Preis-Leistungs-Verhältnis bieten.

Ref: arxiv.org/abs/1908.00490 : Das 'Terraskop': Über die Möglichkeit, die Erde als atmosphärisches Objektiv zu nutzen

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