“COSmIC”-Simulator hilft bei der Identifizierung unbekannter Materie im Weltraum

Der Orionnebel. (NASA)
Der Orionnebel. (NASA)

Wer sind wir? Wo kommen wir her? Dies sind Fragen, auf die Wissenschaftler eine Antwort zu finden hoffen, indem sie die Zusammensetzung und die Entwicklung des Universums besser verstehen.

Die NASA betreibt anspruchsvolle Raumfahrtmissionen, mit denen weite Regionen nach spektralen Signaturen – gewissermaßen Fingerabdrücke – von unbekannten Materialien abgesucht werden.

Im Laufe der Jahre fanden die Wissenschaftler heraus, dass diese Materialien viel komplexer sind als man anfangs erwartet hatte. Weil die Bedingungen im Weltraum sich sehr von den Bedingungen auf der Erde unterscheiden, ist es extrem schwierig, extraterrestrische Materialien zu identifizieren. Kürzlich haben Forscher einen Meilenstein erreicht, indem sie einer der weltweit einzigartigen Laboreinrichtungen mit einer neuen Fähigkeit versahen.

Im Ames Research Center der NASA in Moffett Field (Kalifornien) steht diese hochspezialisierte Einrichtung, genannt Cosmic Simulation Chamber oder kurz COSmIC. Sie ist mit einer Reihe modernster Instrumente ausgestattet, welche es den Wissenschaftlern erlauben, simulierte Weltraumbedingungen für planetarische und interstellare Materie im Labor zu erschaffen, zu verändern und zu überwachen.

Die Kammer ist das Herz des Systems. Sie stellt die extremen Bedingungen nach, die im Weltraum herrschen – die Durchschnittstemperatur kann bei 100 Kelvin (weniger als -170 Grad Celsius) liegen, die Dichte beträgt wenige Milliardstel der irdischen Dichte und interstellare Moleküle und Ionen werden von ultravioletter und sichtbarer Strahlung durchflutet.

“Die unwirtlichen Bedingungen im Weltraum sind im Labor äußerst schwer zu simulieren und haben lange die Bemühungen behindert, Beobachtungen im Weltraum zu interpretieren und zu analysieren,” sagte Farid Salama, ein Astrophysiker am Ames Research Center.

Die Idee zum Bau der COSmIC-Einrichtung wurde von Salama 1996 als Projekt des Director’s Discretionary Fund (DDF – Geldmittel, die dem Direktor zur freien Verfügung stehen) angestoßen und seine Verwirklichung ist eine wahre Erfolgsgeschichte für das DDF-Programm des Ames Research Center. Die Einrichtung ging aus der Zusammenarbeit zwischen den Ames-Wissenschaftlern und Forschern aus Los Gatos hervor und erhielt als Small Business Innovative Research (SBIR) den Zuschlag von der NASA.

Das Team aus Raumfahrtwissenschaftlern und Ingenieuren unter der Leitung von Salama entwickelte und konstruierte diese einzigartige Laboreinrichtung, um ein tieferes Verständnis für die Zusammensetzung unseres Universums und die Entwicklung von Galaxien zu gewinnen, zwei Hauptziele des NASA-Weltraumprogramms.

2003 erreichten die Ames-Forscher einen ersten Meilenstein, indem sie die COSmIC-Einrichtung mit einem hochsensiblen Spektrometer koppelten, der den spektralen Fingerabdruck von Materie auf molekularer Ebene registrieren kann.

Jetzt wurde ein weiterer Meilenstein erreicht, als die COSmIC-Einrichtung mit einem ultraleistungsfähigen Massenspektrometer gekoppelt wurde, welcher die Masse von Materie auf molekularer Ebene erfassen kann.

Ein Teil des Problems, das den Forschern die Identifizierung unbekannter Materie erschwerte, war in der Vergangenheit die Unfähigkeit, Weltraumbedingungen im gasförmigen Zustand zu simulieren. Heute können sie erfolgreich gasförmige Umgebungen simulieren, die mit interstellaren Wolken, Sternhüllen oder planetaren Atmosphären vergleichbar sind.

“Auf diese Weise können wir jetzt große Kohlenstoffmoleküle wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs) und vergleichbare Moleküle messen. Das ist eine enorme Leistung”, sagte Salama. “Diese neue Art Forschung weitet die Grenzen der Wissenschaft zu neuen Horizonten aus und verdeutlicht den wichtigen Beitrag der NASA zur Wissenschaft,” fügte er hinzu.

Die Forscher werden diese Einrichtung benutzen, um sich zwei Schlüsselproblemen zu widmen: Erstens wollen sie die Natur von großen Aerosol-Partikeln ergründen, welche von der Raumsonde Cassini in der Atmosphäre von Saturns größtem Mond, Titan, nachgewiesen wurden. Das zweite Problem, mit dem sie sich beschäftigen werden, ist die Entstehung von interstellarem Staub in der Nähe von kohlenstoffreichen Sternen.

“Wir können nun genau die Entstehung von kohlenstoffhaltigem Staub in der Umgebung von Sternen im Labor simulieren, ein Hauptproblem der aktuellen Astrophysik”, sagte Cesar Contreras, ein Mitglied des Forschungsteams.

“Wir beginnen mit kleinen Kohlenstoffmolekülen, setzen diese Moleküle in der COSmIC-Einrichtung hochenergetischen Prozessen aus, verteilen sie mit einem kalten Sprühnebel und registrieren sie mit unseren hochsensiblen Detektoren”, ergänzte Contreras, der interstellaren Staub untersucht.

Finanziell unterstützt vom Wissenschaftsdirektorat der NASA, wird diese neue Einrichtung auch die sehr großen Aerosol-Partikel untersuchen, die von Cassini in der oberen Atmosphäre von Titan registriert wurden.

“Titan ist ein wichtiger Himmelskörper in unserem Sonnensystem, weil er uns dabei hilft, die Bedingungen zu verstehen, die auf der frühen Erde geherrscht haben”, sagte Ricketts. “Organischer Dunst in der Atmosphäre von Titan ist vergleichbar mit dem Dunst in der Luft der frühen Erde.”

Um die Daten von Cassini zu verstehen, brauchen die Wissenschaftler dieses hochsensible, leistungsfähige, neue Werkzeug. Sie werden ihre Analysen mit der Erzeugung von Molekülen im Labor beginnen, sie inmitten ihrer Umgebung messen und dann versuchen, ihre Signatur mit denen der unbekannten Aerosol-Moleküle auf Titan vergleichen und somit identifizieren.

“Die Daten aus Titans oberer Atmosphäre zeigen ein reiches Spektrum. Wir werden diese Daten im Labor nachstellen und sie mit den Daten von Cassini vergleichen. Falls sie übereinstimmen, gut. Falls nicht, werden wir etwas anderes versuchen. Wir werden wissen, wenn wir nah dran sind, es zu verstehen. Wir haben jetzt das richtige Werkzeug, um das zu tun”, sagte Salama.

“Eines Tages werden wir über die Einzelheiten und die Schlussfolgerungen der Daten sprechen, aber heute feiern wir den neuen Meilenstein in der Fertigstellung dieses einzigartigen Werkzeugs”, sagte Salama abschließend.

Das Astrophysics and Astrochemistry Laboratory ist Teil der Astrophysics Branch in der Abteilung für Weltraumwissenschaften und Astrobiologie. Die Wissenschaftler dort arbeiten in vielen Fachbereichen der Astronomie und astrophysikalischen Forschung und konzentrieren sich auf die Entwicklung neuer Weltraum- und erdbasierter Instrumente – zum Beispiel COSmIC und SOFIA -, sowie auf Simulationsexperimente im Labor. Zum Team des Ames Reasearch Centers gehören Farid Salama, Claire Ricketts, Cesar Contreras und Rober Walker.

Quelle: http://www.nasa.gov/topics/technology/features/tofs.html

(THK)

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