Mit ARRAKIHS einen Schritt näher an der Entdeckung der Dunklen Materie

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Mit ARRAKIHS einen Schritt näher an der Entdeckung der Dunklen Materie

Das ARRAKHIS-Konsortium, das unter der wissenschaftlichen Verantwortung der EPFL steht, hat die Phase der Überprüfung der Projektdefinition erfolgreich abgeschlossen - ein erster, sehr wichtiger Schritt bei der Vorbereitung der Mission. ARRAKIHS ist ein von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ausgewählter Satellit zur Erforschung der Dunklen Materie. Sein Start ist für 2030 geplant.

Einige Sterne zeugen von den frühen Entstehungsstadien des Universums und können zu den ersten gebildeten Galaxien, den sogenannten Zwerggalaxien, gehören oder zu den Spuren, die sie in Form von Sternströmen hinterlassen. Diese Strukturen sind sehr lichtschwach und werden von dunkler Materie dominiert, die zwar gravitativ nachgewiesen wird, aber unsichtbar ist. Um diese Ströme und Zwerggalaxien zu identifizieren und zu charakterisieren, sind spezielle und gezielte Beobachtungsstrategien erforderlich. In den nächsten zehn Jahren wird die zweite Klasse-F-Weltraummission der ESA mit dem Namen ARRAKIHS nach diesen Strukturen suchen, da sie für die Entschlüsselung der Geheimnisse der Dunklen Materie von entscheidender Bedeutung sind.

"Die ESA stuft ARRAKIHS als eine Mission der Klasse F ein, wobei F für fast steht", sagt Pascale Jablonka vom LASTRO der EPFL, die den wissenschaftlichen Zweig von ARRAKIHS koordiniert. Um als Klasse-F-Mission eingestuft zu werden, muss ARRAKIHS mehrere Bedingungen erfüllen: Die Gesamtkosten für die ESA, einschließlich des Betriebs, müssen unter 175 Millionen Euro liegen; die Mission muss autonom sein und von der ESA geleitet werden; die Mission wird nach einem kostenorientierten Designansatz entwickelt; und die gesamte Entwicklungszeit von der Auswahl der Mission im November 2022 bis zum Start muss weniger als 8 Jahre betragen.

Die Mitglieder des europäischen Konsortiums ARRAKIHS, das 2022 von der ESA als zweite Mission der Klasse F ausgewählt wird und von Spanien unter starker Beteiligung der Schweiz geleitet wird, haben im vergangenen Jahr gemeinsam daran gearbeitet, die erste Phase der Missionsstudie, die sogenannte Phase Null, abzuschließen. Am 27. September erreichte ARRAKIHS seinen ersten Meilenstein, die "Überprüfung des Missionsdesigns", und gab dem ARRAKHIS-Konsortium und dem ESA-Studienteam grünes Licht für den Übergang zu den nächsten Projektphasen.

"Wir sind sehr aufgeregt! Es ist eine große Freude, diesen ersten Schritt zu tun. Das bedeutet, dass die Mission nun konkret beziffert ist. Wir treten nun in eine noch aktivere Phase des Projekts ein, für die wir unbedingt die Unterstützung der nationalen Agenturen benötigen", erklärt Pascale Jablonka.

In den nächsten zwei bis drei Jahren wird das Missionskonsortium mit der ESA und der Industrie an der nächsten Studienphase, der Missionsdefinition oder A/B-Phase, arbeiten. Diese Phase umfasst die Definition aller Aspekte der Mission, einschließlich der wissenschaftlichen Ziele, des Instruments, des Satelliten und des Betriebs. Diese detaillierte Machbarkeitsstudie führt zu einer Prüfung durch Teams, die sich aus unabhängigen Wissenschaftlern und Ingenieuren zusammensetzen. Sobald diese Phase erfolgreich abgeschlossen ist, wird die ESA ihrem wissenschaftlichen Programmausschuss (bestehend aus Delegierten aller ESA-Mitgliedstaaten) eine Empfehlung zur endgültigen Annahme von ARRAKIHS vorlegen und mit dem Bau des Satelliten beginnen.

Mit ARRAKIHS das Unsichtbare sichtbar machen

Nach dem aktuellen kosmologischen Standardmodell, das von Einsteins Theorie untermauert wird, besteht das Universum zu 27% aus dunkler Materie, zu 68% aus dunkler Energie und nur zu 5% aus gewöhnlicher Materie, wie wir sie kennen und sehen, wie z.B. Planeten und Sterne.

Der Name ARRAKIHS (Abkürzung für Analysis of Resolved Remnants of Accreted galaxies as a Key Instrument for Halo Surveys) spielt auf den Planeten aus dem Science-Fiction-Roman Dune an, aber statt nach dem "Gewürz" zu suchen, wird dieser Satellit in niedriger Umlaufbahn versuchen, eines der größten Geheimnisse der modernen Physik zu entschlüsseln: Was ist die Natur der dunklen Materie?

Theoretische Studien haben gezeigt, dass die Signatur der Natur der Dunklen Materie in der Anzahl der Satelliten-Zwerggalaxien, die massereiche Galaxien wie unsere eigene umkreisen, und den Sternströmen in ihren äußeren Regionen eingeprägt ist. ARRAKIHS wird daher etwa 75 Galaxien ins Visier nehmen, die der Milchstraße ähneln. Die Zielstrukturen sind so lichtschwach, dass es wichtig ist, sie aus dem Weltraum, weit weg von der Erdatmosphäre, zu beobachten. Mithilfe einer hochleistungsfähigen Bildgebungstechnologie werden die Wissenschaftler die Eigenschaften der Sternhalos enthüllen und definieren, was angesichts ihrer geringen Helligkeit eine technische Herausforderung darstellt. Diese Beobachtungen sollen dann mit verschiedenen Modellen der Dunklen Materie und deren Vorhersagen verglichen werden. Jede Galaxie wird insgesamt 150 Stunden lang beobachtet und ihre Strukturen werden bis ins kleinste Detail charakterisiert.

"Diese Mission ist für mich und meine Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter besonders spannend. Sie vereint viele Forschungsbereiche, wie kosmologische Parameter und die Entwicklung von Galaxien, aber auch Bildverarbeitung und numerische Simulationen", fährt Pascale Jablonka fort. "Die Astrophysik hat mich gereizt, weil sie außergewöhnliche Schönheit mit grundlegenden Fragen über die Entstehung und Entwicklung physikalischer Systeme verbindet."