LONDON (IT BOLTWISE) – Das Roman Space Telescope soll ab 2027 erstmals Exoplaneten per direkter Bildgebung deutlich früher und weiter fassen als bisherige Boden- und Weltraumansätze. Im Fokus steht das Coronagraph Instrument (CGI), das Wirtssterne gezielt abschattet und Planeten als extrem schwache Punktquellen sichtbar machen soll. Dafür braucht es Optikkomponenten, die über Stunden nur minimal nachgeben. Besonders beteiligt: präzise PAM-Stabilisierungsmechanismen aus dem Umfeld des Max-Planck-Instituts für Astronomie.
Das Roman Space Telescope wird im August 2026 an den Orbit am L2-Lagrange-Punkt gebracht, mit dem Ziel, Exoplaneten nicht nur indirekt zu finden, sondern auch direkt zu beobachten. In etwa 1,5 Millionen Kilometern Entfernung von der Erde liegt L2 auf der Linie zwischen Erde und Sonne, auf der Seite der Erde, die von der Sonne weg zeigt. Dort gleichen sich die Gravitationskräfte der beteiligten Himmelskörper so weit aus, dass das Teleskop den Sonnenorbit ohne Antriebsmanöver stabil um die Sonne führen kann. Für die Wissenschaft ist das der passende Rahmen: Statt Beobachtungen kurzfristig unterbrochen oder neu ausgerichtet zu planen, können Instrument und Datenerfassung über längere Zeitfenster konsistent arbeiten.
Der technische Kern der direkten Bildgebung liegt im Coronagraph Instrument (CGI). Coronagraphen arbeiten mit Masken, die das helle Licht des Wirtssterns unterdrücken, damit schwächere Quellen wie ein nahe gelegener Planet überhaupt auf dem Detektor erkennbar werden. Roman adressiert dabei eine Größenordnung, die in der Praxis nur mit sehr hohem Kontrast machbar ist: Die Planeten, die Roman abbilden will, sollen aus Erdsicht etwa eine Milliarde Mal lichtschwächer erscheinen als ihr Stern. Laut Angaben zum Design soll CGI Planeten als Punktquellen erfassen, die rund 1.000-mal schwächer sind, als es technisch bisher möglich war. Das ist weniger ein einzelner Algorithmus-Fortschritt als eine Systemaufgabe, bei der Optik, Stabilisierung, Bildverarbeitung und Teststrategie ineinandergreifen.
Damit der Kontrast nicht durch Bildartefakte und optische Turbulenzen zunichtegemacht wird, greifen die Entwickler auf Adaptive Optics zurück – eine Technik, die man sonst eher von erdgebundenen Großteleskopen kennt. Ein Beispiel aus der bodengebundenen Szene ist das Extremely Large Telescope, das seine Spiegelform sehr häufig anpasst, um den Bildwackler zu minimieren, der selbst dem menschlichen Auge als „Twinkling“ der Sterne bekannt ist. Roman erlebt zwar keine Luftverwirbelungen im Strahlengang, dennoch erzeugen Effekte innerhalb des Teleskops selbst Bildverzerrungen. Dafür wird ein kleiner Spiegel eingesetzt, der in Echtzeit verformt werden kann. Diese Rückkopplung erfordert Rechenleistung an Bord, also eine Computing-Kapazität, die im Satellitenbetrieb stets begrenzt ist – und genau darin lag laut Projektbetrachtung eine eigene Herausforderung.
Besonders präzise wird es bei den optomechanischen Komponenten, die sicherstellen sollen, dass die vielen optischen Elemente des Instruments über Stunden so ausgerichtet bleiben, wie es der extreme Bildkontrast verlangt. Am Max Planck Institute for Astronomy werden dafür Precision Alignment Mechanisms (PAM) entwickelt. Für den Flug kommen sechs Flight Models zum Einsatz – Bauteile, die fest im Coronagraph verbaut sind und beim Start in den Weltraum gehen. Zusätzlich existieren sechs Engineering-Modelle, die vor dem Start auf dem Boden getestet werden. Ziel dieser Mechanismen ist es, dass Masken, Filter und Spiegel des Coronagraphen ihre Ausrichtung im Betrieb um nicht mehr als 40 Milliarcsekunden über einen Zeitraum von acht Stunden verändern. Zur Einordnung wird die Größe über einen Winkelvergleich beschrieben: 3,6 Millionen Milliarcsekunden entsprechen einem Grad, und der tolerierte Drift soll deshalb so klein bleiben, dass die Bildgeometrie im gewünschten Fehlerbereich liegt.
Die Stabilisierung wird nicht nur konstruiert, sondern auch belastbar gemacht. Unter den 12 Versionen des PAM-Systems befindet sich ein Service-life-Modell, das für Langzeiteffekte ausgelegt und getestet wurde. Dabei kam es im Test auf mehr als 27.000 Bewegungen; der Stress wird dabei als grob doppelt so hoch beschrieben wie derjenige, der das Flugmodell im Einsatz erfährt. Genau solche Prüfungen helfen, potenzielle Fehlerquellen früh zu erkennen – und sie adressieren das besondere Problem der Raumfahrt: Nach dem Start ist ein Eingriff wie bei früheren Missionen, etwa zur Wartung, im Regelfall nicht mehr möglich. Monica Ebert, die am Max-Planck-Institut in Heidelberg das Design und die Montage des missionkritischen Stabilisierungssystems für die Instrumentoptik verantwortete, brachte es auf den Punkt: „The assembly required utmost concentration.“ Gleichzeitig beschreibt sie den Moment des Übergangs vom Labor zum Flug so: „When the individual parts of the flight model were lying in front of me, it really hit me that I was holding components that would fly into space and explore it.“
Während CGI auf die direkte Bildgebung fokussiert, deckt Roman mit dem Wide Field Instrument auch das „große Ganze“ für planetare Systemarchäologie ab. Das Wide Field Instrument soll über eine Detektorfläche verfügen, die etwa 100-mal größer ist als die von Hubble, und innerhalb von fünf Jahren einen Himmelsausschnitt abbilden, der in der Fläche etwa 50-mal größer ist als das, was Hubble über 30 Jahre abgedeckt hat. In der Missionslogik ergänzt sich das mit dem Euclid-Weltraumteleskop, etwa um großflächige Strukturen der Dunklen Materie zu verfolgen. Für Exoplaneten werden dabei zwei indirekte Suchmethoden genutzt: per Transit-Methode werden ungefähr 100.000 neue Planeten erwartet, die vor ihrem Stern vorbeiziehen und dessen Licht messbar abschwächen. Zusätzlich soll die Microlensing-Methode etwa 1.000 weitere Exoplaneten liefern. Damit entstehen Zielkataloge, die für das CGI wiederum die Grundlage liefern, welche Systeme später besonders lohnend direkt abgebildet werden können.
Auch die Softwareseite und das Onboarding der Datenflüsse sind Teil des Fortschritts. Kurz nach dem Start soll ein wissenschaftliches Konsortium, koordiniert über einen NASA-Ausschuss namens Community Participation Program, den Betrieb schrittweise „hochfahren“ und die Datenströme fortlaufend auswerten, während Roman sich zum L2-Orbit begibt. Der Commissioning-Prozess ist dabei auf 90 Tage veranschlagt – ungefähr die gleiche Zeitspanne, die Roman benötigt, um L2 zu erreichen. Die ersten wissenschaftlichen Bilder werden für frühes 2027 erwartet, doch einzelne Beobachtungsprogramme sollen sich über Jahre erstrecken, etwa eine Vermessung der Ebene der Milchstraße auf bislang unbekannte Planeten und sogar Schwarze Löcher. Oliver Krause vom Max Planck Institute for Astronomy ordnet das CGI entsprechend ein: „Technologically, the CGI is a milestone on the way.“ Und in derselben Linie erklärt er die Perspektive für künftige Entdeckungen, inklusive der Forderung nach noch größerer Auflösung: „To be able to find and study a second Earth in the future, we’ll need a powerful coronagraph that incorporates the full complexity of CGI.“
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