Ett nytt rymdteleskop kommer att öppna upp en oöverträffad vy av universum i ultraviolett ljus. ULTRASAT-satelliten kommer att ge grundläggande nya insikter om högenergifenomen som supernovaexplosioner, kolliderande neutronstjärnor och aktiva svarta hål, som alla också kan generera gravitationsvågor och fungera som kosmiska partikelacceleratorer.

På måndag i Rehovot, Israel, Helmholtzföreningens ordförande, Otmar D. Wiestler, och chefen för Helmholtz-centret DESY, Helmut Dosch, kom överens med Weizmann Institute of Science om ett samarbete för tyskt deltagande i det israelledda projektet. DESY kommer att bygga 100-megapixel UV-kameran för rymdteleskopet. För projektet, DESY arbetar med det tyska flygcentret DLR, som också är medlem i Helmholtzföreningen.

"Helmholtz har haft många utmärkta vetenskapliga samarbeten med israeliska partners i decennier. Tillsammans med Weizmann Institute of Science, vi tar nu ytterligare ett viktigt steg inom området astrofysik. Jag är oerhört glad över detta, " sa Helmholtz president Otmar D. Wiestler. "Samarbetet kring rymdteleskopet ULTRASAT har potential att skapa en helt ny grund för detektering av gravitationsvågor och relaterade astrofysiska händelser, på högsta internationella nivå."

DESY-direktör Helmut Dosch tillade:"Vi har ett långt och fruktbart samarbete med ett antal israeliska partners. Vi fortsätter nu denna framgångssaga med vårt deltagande i Weizmann Institute of Sciences utmanande satellitprojekt." DESY:s forskningschef för astropartikelfysik, Christian Stegmann, betonade:"ULTRASAT ger oss unika insikter i högenergiuniversum. Med kameran för teleskopet, DESY kommer att kunna kombinera och bidra med sin enastående expertis inom detektorutveckling för astropartikelfysik och röntgenfysik."

ULTRASAT kommer att studera himlen i det ultravioletta området (220 till 280 nanometer våglängd) av det elektromagnetiska spektrumet och ha ett särskilt stort synfält på 225 kvadratgrader – ungefär 1200 gånger så stort som fullmånen visas på vår himmel. "Denna unika konfiguration kommer att hjälpa oss att svara på några av de stora frågorna inom astrofysik, sa Eli Waxman, huvudutredare för ULTRASAT vid Weizmann Institute of Science.

Till exempel, satelliten kommer att söka efter ursprunget till de tunga kemiska grundämnena. Förutom de lättaste grundämnena som väte och helium, grundämnena skapades nästan uteslutande av kärnfusion i kosmos. Stjärnor producerar sin energi från denna kärnfusion, men detta fungerar bara upp till järn. Sammanslagningen av tyngre grundämnen som bly eller guld kostar energi. Deras syntes sker i de mest kraftfulla processerna i universum, till exempel explosionen av en stjärna som en supernova eller kollisionen av två neutronstjärnor – kärnorna av utbrända solar som har kollapsat under sin egen vikt i en sådan utsträckning att de har en densitet som en gigantisk atomkärna. Varje guldatom på jorden och i resten av kosmos kommer från en exploderande sol eller från en neutronstjärnskrasch.

"Vi vill förstå exakt hur elementen produceras och hur de distribueras, " förklarar David Berge, Lead Scientist på DESY. Både, supernovaexplosioner och kollisioner med neutronstjärnor kan följas särskilt bra i UV-ljus, som Berge påpekar. "Den direkta fasen av en supernova under de första minuterna, timmar och dagar ses främst i UV. Under denna tid, UV-ljuset innehåller karakteristiska signaturer som indikerar föregångarens stjärna." Senare, en chockvåg bryter ut ur det heta eldklotet, inom vilka laddade subatomära partiklar också accelereras till höga energier. "Satelliten kan därför hjälpa oss att förstå ursprunget till sådana kosmiska partikelacceleratorer, ", säger Berge. "Vi vill också ta reda på vilken typ av stjärna som exploderar i vilken typ av supernova."

ULTRASAT är särskilt känsligt för högenergifenomen. "Allt som blir extremt varmt lyser starkt i UV-ljuset, " rapporterar DESY-forskaren Rolf Bühler, projektledare för UV-kameran. Detta inkluderar aktiva svarta hål, som absorberar materia från sin omgivning och även accelererar partiklar, och kolliderande neutronstjärnor. Observationen av neutronstjärnekrockar kan inte bara ge information om elementsyntesen i kosmos, men är också av stor betydelse för gravitationsvågforskningen. "Om gravitationsvågor registreras av sammanslagna neutronstjärnor, deras position kan än så länge endast lösas grovt på basis av gravitationsvågdata, " förklarar Bühler. "ULTRASAT kan orientera sig mot målregionen inom maximalt 30 minuter och, tack vare sitt stora synfält, kan sedan bestämma den exakta positionen nästan omedelbart."

Satelliten har alltså en avgörande funktion för det unga fältet multi-budbärarastronomi (MMA), som studerar universum via olika budbärare som kosmiska partiklar, gravitationsvågor och elektromagnetisk strålning och utgör ett nytt forskningsområde vid DESY. Med sitt stora synfält, satelliten kommer att ha en särskilt stor del av himlen i sikte och kommer därmed också att kunna upptäcka okända föremål som plötsligt blossar upp i UV-området.

Med en totalvikt på endast 160 kg och en volym på mindre än en kubikmeter, ULTRASAT (Ultraviolet Transient Astronomy Satellite) är en liten vetenskaplig satellit. Weizmann Institute of Science och den israeliska rymdorganisationen ISA delar på finansiering och förvaltning. Uppskjutningen är planerad till 2023. Rymdteleskopet kommer då att samla in data under tre år. Den kommer att placeras i en hög bana omkring 35, 000 kilometer över jordens yta. Detta garanterar att störningar från den ultravioletta bakgrundsstrålningen, som jordens atmosfär reflekterar från solen, är försumbara och gör att stora delar av himlen kan övervakas. UV-strålning kan endast observeras från omloppsbana eftersom den till stor del absorberas och reflekteras av atmosfären.

UV-kameran, som DESY utvecklar och bygger, kommer att vara hjärtat i teleskopet. Den kommer att ha en UV-känslig sensoryta på nio gånger nio centimeter och en upplösning på 100 megapixlar. Med dessa parametrar, utvecklarna bryter ny mark:En UV-rymdkamera med en sådan upplösning och känslighet har aldrig byggts förut. För kameran, DESY-experter inom astropartikelfysik arbetar tillsammans med specialister på detektorutveckling från forskningsområdet med synkrotronstrålning. Med detta projekt, DESY bidrar med cirka 5 miljoner euro till satelliten, vilket kommer att kosta cirka 70 miljoner euro totalt.