UV-satellit vil åbne nyt syn på eksploderende stjerner og sorte huller

Et nyt rumteleskop vil åbne op for en hidtil uset udsigt over universet i ultraviolet lys. ULTRASAT-satellitten vil give grundlæggende ny indsigt i højenergi-fænomener såsom supernovaeksplosioner, kolliderende neutronstjerner og aktive sorte huller, som alle også kan generere gravitationsbølger og fungere som kosmiske partikelacceleratorer.

Mandag i Rehovot, Israel, formanden for Helmholtzforeningen, Otmar D. Wiestler, og direktøren for Helmholtz-centret DESY, Helmut Dosch, aftalt med Weizmann Institute of Science om et samarbejde for tysk deltagelse i det israelsk ledede projekt. DESY vil bygge 100-megapixel UV-kameraet til rumteleskopet. Til projektet, DESY samarbejder med det tyske rumfartscenter DLR, som også er medlem af Helmholtzforeningen.

"Helmholtz har haft mange fremragende videnskabelige samarbejder med israelske partnere i årtier. Sammen med Weizmann Institute of Science, vi tager nu endnu et vigtigt skridt inden for astrofysik. Det er jeg meget glad for, " sagde Helmholtz-præsident Otmar D. Wiestler. "Samarbejdet om rumteleskopet ULTRASAT har potentialet til at skabe et helt nyt grundlag for detektion af gravitationsbølger og relaterede astrofysiske hændelser, på højeste internationale niveau."

DESY-direktør Helmut Dosch tilføjede:"Vi har et langt og frugtbart samarbejde med en række israelske partnere. Vi fortsætter nu denne succeshistorie med vores deltagelse i Weizmann Institute of Sciences udfordrende satellitprojekt." DESYs forskningsdirektør for astropartikelfysik, Christian Stegmann, understregede:"ULTRASAT giver os unik indsigt i højenergiuniverset. Med kameraet til teleskopet, DESY vil være i stand til at kombinere og bidrage med sin enestående ekspertise inden for detektorudvikling til astropartikelfysik og røntgenfysik."

ULTRASAT vil studere himlen i det ultraviolette område (220 til 280 nanometer bølgelængde) af det elektromagnetiske spektrum og have et særligt stort synsfelt på 225 kvadratgrader - omkring 1200 gange så stort som fuldmånen vises på vores himmel. "Denne unikke konfiguration vil hjælpe os med at besvare nogle af de store spørgsmål inden for astrofysik, " sagde Eli Waxman, hovedefterforsker af ULTRASAT ved Weizmann Institute of Science.

For eksempel, satellitten vil søge efter oprindelsen af ​​de tunge kemiske grundstoffer. Bortset fra de letteste grundstoffer som brint og helium, grundstofferne blev næsten udelukkende skabt af kernefusion i kosmos. Stjerner producerer deres energi fra denne kernefusion, men dette virker kun op til strygning. Sammensmeltningen af ​​tungere grundstoffer som bly eller guld koster energi. Deres syntese finder sted i de mest kraftfulde processer i universet, såsom eksplosionen af ​​en stjerne som en supernova eller kollisionen af ​​to neutronstjerner – kernerne af udbrændte sole, der er kollapset under deres egen vægt i en sådan grad, at de har en tæthed som en gigantisk atomkerne. Hvert guldatom på Jorden og i resten af ​​kosmos kommer fra en eksploderende sol eller fra et neutronstjernestyrt.

"Vi ønsker at forstå præcis, hvordan elementerne er produceret, og hvordan de er fordelt, " forklarer David Berge, Lead Scientist hos DESY. Begge, supernovaeksplosioner og neutronstjernekollisioner kan følges særligt godt i UV-lys, som Berge påpeger. "Den direkte fase af en supernova i de første minutter, timer og dage ses hovedsageligt i UV. I løbet af denne tid, UV-lyset indeholder karakteristiske signaturer, der indikerer forgængerens stjerne." Senere, en chokbølge bryder ud af den varme ildkugle, inden for hvilke ladede subatomære partikler også accelereres til høje energier. "Satellitten kan derfor hjælpe os med at forstå oprindelsen af ​​sådanne kosmiske partikelacceleratorer, " siger Berge. "Vi vil også gerne finde ud af, hvilken type stjerne der eksploderer i hvilken slags supernova."

ULTRASAT er særligt følsom over for højenergi-fænomener. "Alt, der bliver ekstremt varmt, skinner klart i UV-lyset, " rapporterer DESY-forsker Rolf Bühler, projektleder for UV-kameraet. Dette inkluderer aktive sorte huller, som absorberer stof fra deres omgivelser og accelererer partikler, og kolliderende neutronstjerner. Observation af neutronstjernestyrt kan ikke kun give information om grundstofsyntese i kosmos, men er også af stor betydning for gravitationsbølgeforskning. "Hvis gravitationsbølger registreres af fusionerende neutronstjerner, deres position kan indtil videre kun groft opløses på basis af gravitationsbølgedata, " forklarer Bühler. "ULTRASAT kan orientere sig mod målregionen inden for maksimalt 30 minutter og, takket være det store synsfelt, kan derefter bestemme den nøjagtige position næsten øjeblikkeligt."

Satellitten har således en afgørende funktion for det unge felt af multi-messenger astronomi (MMA), som studerer universet via forskellige budbringere såsom kosmiske partikler, gravitationsbølger og elektromagnetisk stråling og udgør et nyt forskningsområde hos DESY. Med sit store synsfelt, satellitten vil have et særligt stort udsnit af himlen i udsyn og vil dermed også kunne registrere ukendte objekter, der pludselig blusser op i UV-området.

Med en totalvægt på kun 160 kg og et volumen på mindre end en kubikmeter, ULTRASAT (Ultraviolet Transient Astronomy Satellite) er en lille videnskabelig satellit. Weizmann Institute of Science og den israelske rumorganisation ISA deler finansiering og ledelse. Opsendelsen er planlagt til 2023. Rumteleskopet vil derefter indsamle data i tre år. Det vil blive sat i et højt kredsløb omkring 35, 000 kilometer over Jordens overflade. Dette garanterer, at forstyrrelser fra den ultraviolette baggrundsstråling, som Jordens atmosfære reflekterer fra solen, er ubetydelige og gør det muligt at undersøge store områder af himlen. UV-stråling kan kun observeres fra kredsløb, fordi den i høj grad absorberes og reflekteres af atmosfæren.

UV-kameraet, som DESY udvikler og bygger, vil være hjertet i teleskopet. Den får et UV-følsomt sensorområde på ni gange ni centimeter og en opløsning på 100 megapixels. Med disse parametre, udviklerne bryder ny vej:Et UV-rumkamera med en sådan opløsning og følsomhed er aldrig blevet bygget før. Til kameraet, DESY eksperter i astropartikelfysik arbejder sammen med specialister i detektorudvikling fra forskningsfeltet med synkrotronstråling. Med dette projekt, DESY bidrager med omkring 5 millioner euro til satellitten, hvilket vil koste omkring 70 millioner euro i alt.