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Warum Astrophysiker eine Glühbirne im Orbit brauchen
Weltraumgestützte Teleskope haben unsere Sicht auf das Universum in den letzten 25 Jahren verändert und die Zukunft sieht vielversprechend aus. Eine Reihe neuer Observatorien und Beobachtungstechniken, sowohl am Boden als auch im Orbit, versprechen, unser Verständnis des Kosmos noch weiter zu erweitern.
Aber es gibt ein Problem. Einer der grundlegenden Prozesse in der Beobachtung ist die Kalibrierung der beteiligten Instrumente. Astronomen können ihre erdgebundenen Teleskope problemlos mit einer ordentlichen Glühbirne testen. Aber eine Sache, die sie nicht erklären können, ist die von der Atmosphäre absorbierte Lichtmenge, die erheblich sein kann.
Es ist leicht vorstellbar, dass dieses Problem mit weltraumgestützten Observatorien verschwindet. Aber auch diese müssen kalibriert werden. Das Hubble-Weltraumteleskop zum Beispiel hat zu diesem Zweck Wolfram-Glühbirnen an Bord.
Diese führen jedoch auch zu verschiedenen Unsicherheiten aufgrund von Dingen wie kleinen Änderungen der Leistung einer Glühbirne, wenn sich ihre Temperatur ändert, wenn sich das Observatorium in den Erdschatten hinein und aus ihm heraus bewegt. Es gibt auch keine Möglichkeit, Hubbles Messungen der Wolframbirnen mit Beobachtungen vom Boden zu vergleichen.
Diese Unsicherheiten setzen nun einigen Beobachtungsarten wichtige Grenzen, sagt Justin Albert von der University of Victoria in Kanada. Das vielleicht wichtigste Beispiel sind die Messungen der Expansion des Universums, die Astronomen machen, indem sie die Helligkeit von Supernovae vom Typ 1a in fernen Galaxien betrachten. Bessere Messungen erfordern eine bessere Kalibrierung.
Albert sagt, es gibt eine offensichtliche Lösung: Platziere eine Glühbirne in der Umlaufbahn, mit der Teleskope am Boden genau berechnen können, wie viel Licht die Atmosphäre bei jeder Frequenz absorbiert. Die Hinzufügung künstlicher kalibrierter Lichtquellen im Weltraum zum Arsenal an Techniken für die photometrische Kalibrierung wird ein leistungsstarkes neues Werkzeug zur Erhöhung der Präzision in der Astrophysik darstellen, sagt er. Heute skizziert er die verschiedenen Faktoren, die an seinem Denken beteiligt sind.
Die benötigte Lichtquelle ist überraschend klein. Er weist darauf hin, dass eine normale 25-Watt-Glühbirne in einer Umlaufbahn von 700 km so hell wäre wie ein Stern der Größe 12,5. Ein abstimmbarer Laser ist eine weitere Option, aber dieser müsste genau auf jedes bodengestützte Teleskop ausgerichtet werden, wodurch die Komplexität des Designs erhöht wird.
Im Weltraum ist derzeit keine anständige Glühbirne zu sehen, aber dort oben befindet sich ein Raumschiff mit einem Laser, der auf die Erde gerichtet ist. CALIPSO ist ein französisch-amerikanischer Satellit zur Messung des vertikalen Profils von Wolken und Aerosolen. Dazu strahlt er einen grünen Laser auf die Oberfläche und misst die Reflexion.
Alberts Idee ist, dass die Messung dieses Strahls am Boden eine Möglichkeit ist, das Konzept der Teleskopkalibrierung aus der Umlaufbahn zu beweisen. Und er war sicherlich damit beschäftigt, den Satelliten zu jagen und das Licht, das er erzeugt, mit sieben Kameras zu fotografieren, die über einige hundert Meter verteilt sind.
Sein größtes Problem ist, dass der Laser von CALIPSO nicht für den Zweck entwickelt wurde, für den er ihn verwendet. Der Balken hat eine Grundfläche von nur etwa 100 Metern im Durchmesser. Und da die Unsicherheiten in der Umlaufbahn des Raumfahrzeugs größer sind, ist es schwierig, die Kameras in die Schusslinie zu bringen.
Außerdem feuert der Laser mit einer Frequenz von 20 Hz, was bedeutet, dass die Szintillation in der Atmosphäre ein Faktor wird (während ein längerer Puls oder ein kontinuierlicher Strahl zeitgemittelt werden könnte). Dennoch ist es ihm gelungen, die Probleme dieser Art von Arbeit hervorragend zu charakterisieren.
Aber es unterstreicht die Schwierigkeit, die Observatorien mit diesen Techniken haben würden. Diese Arten von Laserbeobachtungen sind nur möglich, wenn sich der Satellit direkt über dem Himmel befindet, und gelten nur für diesen Punkt am Himmel, von diesem Ort auf der Erde zu diesem Zeitpunkt.
Astronomen werden eindeutig etwas Besseres brauchen. Eine Glühbirne, die aus einem weiten Winkel zu sehen ist, ist eine gute Option.
Reflektoren jedoch nicht. Albert weist darauf hin, dass mehrere Satelliten zwar Reflektoren für die Laserentfernungsmessung haben, diese jedoch nicht zur genauen Messung der Lichtabsorption in der Atmosphäre verwendet werden können. Das liegt daran, dass sich die Reflektivität mit dem Einfallswinkel ändert, aber genau wie nicht bekannt ist. Darüber hinaus ändert sich das Reflexionsvermögen dieser Vorrichtungen mit der Zeit, wenn die Spiegel durch Mikrometeoroid-Schäden narbig werden.
Um seine Forschung voranzutreiben, plant Albert, fortschrittlichere Lichter in Ballons zum Leuchten zu bringen, damit er dieses Problem besser untersuchen kann.
Aber am Ende kann man den Astronomen der Zukunft nur wirklich helfen, wenn man eine Glühbirne in die Umlaufbahn bringt. Angesichts der Tatsache, dass die Expansionsgeschichte des Universums eines der wichtigsten Probleme in der Kosmologie ist, ist es vielleicht an der Zeit, genauer darüber nachzudenken, wie dies bewerkstelligt werden kann.
Ref: arxiv.org/abs/1101.5214 : Satellitenmontierte Lichtquellen als photometrische Kalibrierstandards für bodengestützte Teleskope