Die University of Arizona wurde von der NASA beauftragt, eine neue Weltraummission im Pioneers-Programm zu entwickeln. Ein kleines Teleskop namens PUFFINS wird aus einer erdnahen Umlaufbahn etwa 70 Sterne beobachten, um herauszufinden, wie ihr Licht auf seinem Weg zur Erde durch interstellaren Staub verändert wurde. Mit dem Grazer Institut für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und Silicon Austria Labs ist auch Österreich mit an Bord.

"PUFFINS wird uns dabei helfen, den Staub zwischen den Sternen zu verstehen", erläutert Sreejith.

"PUFFINS wird uns dabei helfen, den Staub zwischen den Sternen zu verstehen", erläutert IWF-Ingenieur Sreejith Aickara Gopinathan, der Mitglied im wissenschaftlichen Kernteam und Co-Investigator von PUFFINS ist. Das Verständnis dieser winzigen Körner ist laut Aickara unerlässlich, um ein vollständiges Bild davon zu bekommen, wie sich interstellarer Staub im Laufe der Zeit entwickelt und zu den Bausteinen neuer Sterne und Planeten wird.

Die Auswirkungen des interstellaren Staubs sind in nahezu allen Bereichen der Astrophysik spürbar, obwohl er nur etwa 1 % der sichtbaren Masse der Milchstraße ausmacht. Durch die Beobachtung von Sternen in unterschiedlichen Entfernungen und Umgebungen – nahegelegene Sternentstehungsgebiete, Reflexionsnebel und sogar unsere nächsten extragalaktischen Nachbarn, die Magellanschen Wolken – wird die Mission eine detaillierte Karte erstellen, die zeigt, wie sich der interstellare Staub am Himmel verändert.

Neben seinem primären Forschungsziel – der Untersuchung des interstellaren Mediums – kann PUFFINS auch die Atmosphären von Exoplaneten, also von Planeten, die andere Sterne als die Sonne umkreisen, charakterisieren. Messungen im ultravioletten Wellenlängenbereich liefern wertvolle Informationen über die oberen Schichten der Exoplaneten-Atmosphären. Die meisten Beobachtungen von Exoplaneten erfolgen im sichtbaren und/oder infraroten Wellenlängenbereich. Diese können Aufschluss über die Größe, Temperatur, atmosphärische Zusammensetzung und das Klima eines Planeten geben.

UV-Messungen liefern ergänzende Erkenntnisse: Sie ermöglichen es, die energetische Umgebung eines Planeten und – unter günstigen Umständen – auch die ausgedehnte obere Atmosphäre zu untersuchen, in der sogenannte Atmosphärenflucht stattfindet. Bei Planeten, die ihren Stern nahe umlaufen, kann intensive Sternstrahlung die obere Atmosphäre aufheizen, die sich daraufhin ausdehnt und unter den richtigen Bedingungen ins All entweicht. Über Millionen oder Milliarden von Jahren hinweg kann dieser Prozess die Atmosphäre und möglicherweise auch die Entwicklung des Planeten selbst erheblich verändern.

"Im UV-Bereich können wir einige der dynamischsten Prozesse beobachten, die in der Atmosphäre eines Exoplaneten ablaufen", so Fossati.

"Im ultravioletten Bereich können wir einige der dynamischsten Prozesse beobachten, die in der Atmosphäre eines Exoplaneten ablaufen. Der Verlust von Atmosphäre stellt eine Verbindung zwischen dem, was wir heute beobachten, und der langfristigen Entwicklung eines Planeten her", so Luca Fossati, Mitglied im PUFFINS-Wissenschaftsteam sowie stellvertretender Direktor und Gruppenleiter am IWF Graz.

Das IWF hat bereits umfangreiche Erfahrungen auf diesem Gebiet durch Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop und der Kleinsatellit Colorado Ultraviolet Transit Experiment (CUTE) der NASA gesammelt, an dem das IWF maßgeblich beteiligt war und der im Juli 2026 in der Erdatmosphäre verglüht ist und damit seine nominelle Missionsdauer von 6 Monaten um beinahe 5 Jahre überschritten hat.

"Jede neue Beobachtungsmöglichkeit im Ultraviolettbereich ist für die Exoplanetenforschung äußerst wertvoll. Wir benötigen Beobachtungen vieler verschiedener Planetensysteme, um zu verstehen, wie sich exoplanetare Atmosphären entwickeln", ergänzt Fossati.

"Für unser Institut ist diese neue wissenschaftliche Chance besonders spannend", betont Helling. 

Mit PUFFINS soll eines der ältesten Rätsel der Physik lösen. Die Mission wird herausfinden, wie Polarisation im interstellaren Raum entsteht und wie Staub das Licht der Sterne beeinflusst. Zudem könnte PUFFINS neue Erkenntnisse über extrasolare Planeten liefern. "Für unser Institut ist diese neue wissenschaftliche Chance besonders spannend", betont IWF-Direktorin Christiane Helling. Das Verständnis dafür, wie Planeten ihre Atmosphären verlieren und sich entwickeln, sowie deren Erforschung in vielen Energiebereichen, ist eines der zentralen Forschungsthemen des IWF.

Der Start von PUFFINS ist bereits für 2030 vorgesehen. Damit stellt die Mission eine wichtige Brücke für zukünftige Beteiligungen des IWF dar. Der potenzielle Einsatz von PUFFINS in der Exoplanetenforschung würde die Expertise des IWF in diesem Bereich hervorragend ergänzen. Das Institut ist an der wissenschaftlichen Auswertung von Missionen wie CHEOPS, CUTE und in Zukunft PLATO und ARIEL beteiligt und arbeitet zudem an neuen Messinstrumenten und Missionskonzepten. Die kürzlich von Österreich und der Schweiz bei der ESA eingereichte Missionsvorschlag WALTzER beispielsweise soll die Atmosphären von Exoplaneten gleichzeitig im nahen Ultraviolett, im sichtbaren Spektrum und im nahen Infrarot untersuchen. Für die zukünftige Flaggschiff-Mission Habitable Worlds Observatory (HWO) der NASA soll von einem europäischen Konsortium Pollux entwickelt werden, ein hochauflösender Spektrograf, der wie PUFFINS Polarimetrie ermöglichen kann.