Das NASA-Weltraumteleskop SPHEREx hat seine erste vollständige Infrarotkarte des Himmels in sage und schreibe 102 Farben fertiggestellt und damit ein neues Kapitel in der Kartierung des Universums aufgeschlagen. In nur einem halben Betriebsjahr ist es diesem relativ kompakten, aber äußerst hochentwickelten Observatorium gelungen, ein Panoramamosaik des gesamten Himmels „zusammenzusetzen“ – von den nächsten Sternen in unserer Galaxie bis hin zu Hunderten Millionen von Galaxien, die über fast 14 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte verstreut sind. Es handelt sich um die erste derartige 3D-„Farbkarte“ des Universums, die nicht nur für Spitzenwissenschaftler, sondern auch für die breite Öffentlichkeit bestimmt ist, da die Daten für alle zugänglich sind.

SPHEREx – die Abkürzung für Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer – wurde im März 2025 gestartet und in eine niedrige Erdumlaufbahn gebracht. Dort umkreist es ununterbrochen den Planeten und fängt Infrarotstrahlung ein, die für das menschliche Auge unsichtbar ist, aber entscheidende Hinweise auf die Entstehung des Universums, die Entwicklung von Galaxien und das „Baumaterial“ für die Entstehung von Planeten und Leben enthält. Die erste All-Sky-Karte, die im Dezember 2025 fertiggestellt wurde, ist erst der Anfang einer zweijährigen Mission, in deren Verlauf das Teleskop den gesamten Himmel noch drei weitere Male kartieren wird, immer präziser und empfindlicher.

Karte des Universums in 102 Infrarotfarben

Im Gegensatz zu klassischen astronomischen Aufnahmen, die den Himmel in nur wenigen breiten Infrarot- oder sichtbaren Bändern zeigen, beobachtet SPHEREx jeden Teil des Himmels in 102 eng definierten Infrarot-Wellenlängen. Jeder dieser „Kanäle“ trägt spezifische Informationen: Einige sind besonders empfindlich für das Leuchten von heißem Wasserstoff im kosmischen Gas, andere enthüllen am besten kalten interstellaren Staub, wieder andere heben das Licht von Sternen und Galaxien hervor. Wenn man all diese Farben zusammensetzt, erhält man ein extrem reichhaltiges Bild – eine Art kosmischen Regenbogen in drei Dimensionen.

Im ersten Mosaik des gesamten Himmels lassen sich Regionen, in denen heißes Gas dominiert, solche, in denen Staub überwiegt, und Gebiete, in denen das Licht von Sternen und Galaxien sichtbar ist, klar unterscheiden. Heißes Wasserstoffgas emittiert charakteristische „blaue“ Infrarot-Wellenlängen, während sich kalter Staub in „röteren“ Infrarotfarben abhebt. Zusammengenommen ergibt dies eine Weltraumkarte, die es Wissenschaftlern ermöglicht, gleichzeitig zu verfolgen, wie sich Materie auf den größten Skalen verteilt und wie in Nebeln innerhalb unserer Milchstraße neue Sterne und Planeten geboren werden.

Es ist wichtig zu betonen, dass SPHEREx nicht nur ein schönes Bild des Himmels produziert, sondern eine echte dreidimensionale Karte des Universums. Jedes beobachtete Objekt – von der fernen Galaxie bis zur Staubwolke in der Milchstraße – „hinterlässt seine Unterschrift“ im Spektrum durch eine unterschiedliche Anordnung von Farben. Aus dieser Signatur lässt sich die Entfernung vieler Galaxien bestimmen und damit ihre Position in der 3D-Verteilung der Materie im gesamten sichtbaren Universum.

Wie das SPHEREx-Teleskop den gesamten Himmel scannt

SPHEREx umkreist die Erde etwa 14 ½ Mal pro Tag auf einer Umlaufbahn, die es vom Nord- zum Südpol führt. Bei jedem Umlauf nimmt es einen schmalen Streifen des Himmels auf, etwa wie ein Band, das sich um das gesamte Himmelsgewölbe erstreckt. Jeden Tag entstehen etwa 3.600 Einzelbilder, die anschließend digital zu einem größeren Mosaik zusammengefügt werden. Während die Erde um die Sonne wandert, verschiebt sich auch der Blick des Teleskops langsam, sodass SPHEREx nach etwa sechs Monaten jeden Punkt des Himmels „sieht“.

Die erste systematische Kartierung des Himmels begann im Mai 2025. In den folgenden sechs Monaten, bis Ende Dezember, wurde eine vollständige Datenserie gesammelt, die zur Erstellung der ersten vollständigen Infrarot-Himmelskarte in 102 Farben verwendet wurde. Die Mission ist so konzipiert, dass sie in einem Zeitraum von zwei Jahren vier solcher Scans des gesamten Himmels durchführt. Durch das Zusammenführen mehrerer Karten wächst die Gesamtempfindlichkeit – schwache Objekte, die im ersten Durchgang nur vage angedeutet waren, werden nach mehreren „Durchgängen“ klarer und messbarer.

Um den Blick stabil und präzise über den Himmel zu bewegen, nutzt SPHEREx keine kleinen Raketentriebwerke, sondern ein System sogenannter reaction wheels (Reaktionsräder) – interne Schwungräder, die durch Rotation die Ausrichtung des Raumfahrzeugs ändern. Dieser Ansatz reduziert Vibrationen und ermöglicht es dem Teleskop, während der Aufnahmen extrem stabil zu bleiben, was entscheidend für scharfe Infrarotbilder ist, die später zu einem einheitlichen Mosaik zusammengefügt werden. Insgesamt werden während der nominellen Mission mehr als 11.000 Orbits und Hunderttausende von Einzelaufnahmen absolviert.

Spektroskopie: Farben in Koordinaten und chemische Signaturen verwandeln

Die entscheidende „Superkraft“ des SPHEREx-Teleskops ist die Spektroskopie, eine Technik, mit der Licht in seine Bestandteile (Wellenlängen) zerlegt wird. Auf einfachster Ebene ist dies analog zu einem Prisma, das weißes Licht in einen Regenbogen bricht, aber hier handelt es sich um eine viel feinere und präziser kalibrierte Zerlegung der Infrarotstrahlung. Jedes Molekül und jedes chemische Element hinterlässt im Spektrum eine erkennbare Spur – eine Gruppe spezifischer Linien und Farben.

Um dies zu erreichen, verwendet SPHEREx sechs Detektoren, vor denen sich jeweils ein speziell entwickelter Filter mit einem Gradienten von 17 verschiedenen Farben befindet. Wenn das Teleskop ein Feld aufnimmt, entstehen gleichzeitig sechs Bilder, jedes in einer Reihe verschiedener Infrarot-Wellenlängen. Zusammen ergeben sie 102 separate „Kanäle“, von den kürzesten bis zu den längsten Wellenlängen, die das Instrument abdeckt. Jede vollständige Himmelskarte ist daher eigentlich ein Satz von 102 „Unterkarten“, wobei jede Farbe andere Strukturen im Universum hervorhebt.

Spektroskopie ermöglicht auch die Schätzung der Entfernung vieler Galaxien. Da sich das Universum ausdehnt, „verschiebt“ sich das Licht von fernen Galaxien hin zu röteren Wellenlängen – ein Phänomen, das als Rotverschiebung bekannt ist. Je nachdem, wie stark das Spektrum verschoben ist, können Wissenschaftler berechnen, wie weit eine Galaxie entfernt ist und wie alt das Licht ist, das uns erreicht. SPHEREx wird auf diese Weise die Entfernung für Hunderte Millionen von Galaxien messen und so eine zweidimensionale Projektion des Himmels in eine dreidimensionale Karte der kosmischen Struktur verwandeln.

Die besondere Stärke von SPHEREx liegt in der Kombination aus einem weiten Sichtfeld und einer großen Anzahl von Farben. Klassische Weltraumteleskope wie Hubble oder James Webb (JWST) können kleinere Himmelsausschnitte mit sehr hoher räumlicher und spektroskopischer Auflösung untersuchen, jedoch auf begrenzter Fläche. SPHEREx hingegen ist als „kosmischer Kartograf“ konzipiert – es deckt den gesamten Himmel ab, jedoch mit moderater räumlicher Auflösung und einem extrem reichhaltigen Spektrum. Zusammen bilden solche Instrumente ein leistungsstarkes System: SPHEREx findet interessante Ziele und statistische Muster, während Webb, Euclid, Roman und andere Teleskope ins Detail gehen.

Inflation: Spuren der frühesten Momente nach dem Urknall

Eines der wissenschaftlichen Hauptziele der Mission ist die Erforschung der rätselhaften Periode der kosmischen Inflation. Nach heutigen Modellen durchlief das Universum im ersten Sekundenbruchteil nach dem Urknall eine unglaublich schnelle Expansion: Im ersten Billionstel eines Billionstels eines Billionstels einer Sekunde dehnte sich der Raum um einen Faktor von etwa „Billion mal Billion“ aus. Kein anderer bekannter Prozess in der Physik beinhaltet eine solche Energiemenge und solch extreme Skalen.

Obwohl die Inflation unvorstellbar schnell und vor langer Zeit stattfand, lassen sich ihre Spuren in der heutigen Verteilung der Galaxien auf den größten Skalen im Universum erkennen. Kleine Quantenfluktuationen im sehr frühen Universum wurden durch die Inflation auf kosmische Ausmaße gedehnt; mit der Zeit wurden sie zu den Samen, um die sich Materie zu sammeln begann und Galaxien, Galaxienhaufen und riesige kosmische „Filamente“ entstanden. Die Art und Weise, wie Galaxien heute im Raum verteilt sind, trägt daher Informationen darüber, wie die Inflation genau beschaffen war.

Dank Millionen vermessener Galaxien und ihrer Entfernungen wird SPHEREx sehr präzise statistische Messungen dieser Anordnungen ermöglichen. Durch den Vergleich der Beobachtungen mit verschiedenen theoretischen Modellen der Inflation werden Wissenschaftler einige Szenarien ausschließen und den Kreis der Möglichkeiten einengen können. Das Ziel ist nicht nur zu bestätigen, dass die Inflation stattgefunden hat, sondern ihre physikalische Natur zu verstehen: Welches Feld verursachte die Expansion, wie verhielt es sich und was sagt uns das über die fundamentalen Naturgesetze aus.

Wasser und organische Verbindungen in der Milchstraße

Die zweite große wissenschaftliche Aufgabe von SPHEREx betrifft die Bausteine des Lebens. In kalten Molekülwolken innerhalb unserer Galaxie, fernab von strahlenden Sternen, befinden sich riesige Mengen an Eis und organischen Verbindungen, die sich auf winzigen Staubkörnern abgelagert haben. Wenn sich aus solchen Wolken neue Sterne und Planetensysteme bilden, wird dieses Eis in die protoplanetaren Scheiben und später in Kometen und Planeten eingebaut.

Es wird angenommen, dass ein erheblicher Teil des Wassers in den Ozeanen der Erde genau auf diese Weise entstanden ist – als Eis in einer interstellaren Wolke, aus der das Sonnensystem hervorging. Durch die Untersuchung der Infrarot-„Unterschriften“ von Wasser, Kohlenwasserstoffen und anderen Molekülen in den Spektren kann SPHEREx kartieren, wo sich diese Bestandteile in der Milchstraße befinden und in welchen Mengen. Besonders interessant sind Moleküle wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die sich auf kosmischen Skalen wie „Rauch“ oder Ruß verhalten – in einigen Wellenlängen leuchten sie, in anderen verschwinden sie vollständig.

SPHEREx wird während der Mission Millionen von Einzelmessungen solcher Wolken in der gesamten Galaxie durchführen. Das Ergebnis wird eine Karte sein, die zeigt, wo in der Milchstraße kalte Wolken dominieren, die reich an Wasser und organischen Verbindungen sind, und wo Regionen mit starker Strahlung überwiegen, die diese Moleküle aufbrechen. Eine solche Karte wird Astrophysikern helfen, die Bedingungen besser zu verstehen, unter denen Planetensysteme ähnlich dem unseren entstehen, und wie häufig Szenarien sind, in denen Planeten bereits in der frühen Phase ihrer Entstehung reichlich Wasservorräte erhalten.

Zusätzlich zu unserer Galaxie wird SPHEREx auch die Gesamtmenge an Licht verfolgen, die im Laufe der Geschichte des Universums von allen Galaxien zusammen emittiert wurde – das sogenannte kosmische Infrarot-Hintergrundlicht. Dies ist eine weitere Möglichkeit, die Geschichte der Sternentstehung, der Staubbildung und der Ausbreitung komplexer Chemie über Milliarden von Jahren zu rekonstruieren.

SPHEREx in Gesellschaft anderer Weltraumteleskope

SPHEREx ist nicht das einzige Teleskop, das den gesamten Himmel im Infrarotbereich kartiert hat – ihm ging beispielsweise die NASA-Mission WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) voraus, die in den 2010er Jahren ebenfalls eine vollständige Himmelskarte erstellte. Doch WISE arbeitete in nur vier breiten Infrarotbändern, während SPHEREx mehr als hundert schmale Wellenlängen abdeckt. Das Ergebnis ist eine viel feinere „Farbinformation“, ideal für die spektroskopische Analyse und die präzise Bestimmung von Entfernungen und chemischer Zusammensetzung.

Auf der anderen Seite des Spektrums befindet sich das James Webb Space Telescope, das auf detaillierte, tiefe Beobachtungen kleiner Himmelsbereiche spezialisiert ist. Webb kann die Atmosphären von Exoplaneten oder die Struktur einzelner Galaxien mit unglaublicher Präzision untersuchen, aber es kann nicht schnell Daten für den gesamten Himmel sammeln. SPHEREx füllt genau diese Nische: Es schafft den Kontext, in dem einzelne tiefe Beobachtungen besser verstanden werden können, da es zeigt, wie sich ein bestimmtes Objekt in das größere Bild einfügt.

Zusammen mit Webb wird SPHEREx auch mit Missionen wie dem europäischen Teleskop Euclid (spezialisiert auf die Erforschung dunkler Materie und dunkler Energie) und dem künftigen NASA-Teleskop Nancy Grace Roman zusammenarbeiten. SPHEREx kann beispielsweise bei der Auswahl von Zielen für detailliertere Aufnahmen helfen oder zusätzliche Daten über Galaxien liefern, die bereits in den Katalogen dieser Missionen enthalten sind. So entsteht ein Netzwerk komplementärer Observatorien, in dem jedes Instrument das tut, wofür es am besten geeignet ist.

Eine kleine Mission mit einem großen internationalen Team

Obwohl SPHEREx in der NASA-Hierarchie zu den sogenannten mittelgroßen (MIDEX) astrophysikalischen Missionen zählt, ist die Menge an Wissenschaft, die es produzieren wird, vergleichbar mit viel größeren und teureren Projekten. Das Teleskop und das Raumschiff wurden von BAE Systems gebaut, während der Einbau des Instruments und die Systemkoordination vom California Institute of Technology (Caltech) geleitet wurden – einer Institution, die auch das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA verwaltet.

Das wissenschaftliche Team vereint Forscher aus zehn Institutionen in den Vereinigten Staaten sowie Partnergruppen in Südkorea und Taiwan. Solch eine internationale Zusammenarbeit ist in der modernen Astrophysik zum Standard geworden: Der Bau eines Weltraumteleskops erfordert industrielle Erfahrung, die Entwicklung fortschrittlicher Detektoren und komplexe Softwaretools, während die Datenanalyse ganze Generationen von Doktoranden und Postdoktoranden einbezieht, die ihre Arbeiten und Karrieren auf SPHEREx stützen werden.

Für die Leitung der Astrophysik-Abteilung der NASA ist SPHEREx ein Beispiel dafür, wie mutige Ideen in einer mittelgroßen Mission realisiert werden können. Mit einem sorgfältig konzipierten Instrument und klar definierten wissenschaftlichen Zielen ist es möglich, für ein relativ begrenztes Budget Daten zu gewinnen, die für grundlegende Fragen der Kosmologie und Astrophysik relevant sind – von der Inflation bis zur Wasserverteilung in der Galaxie.

Open Science: Daten für alle zugänglich

Eines der wichtigsten Merkmale der Mission ist ihr Engagement für Open Science. Seit Beginn der wissenschaftlichen Operationen sendet SPHEREx regelmäßig Daten an das NASA-Archiv für Infrarotbeobachtungen, das vom IPAC-Zentrum am Caltech verwaltet wird. Nachdem das wissenschaftliche Team instrumentelle Artefakte entfernt, die Bilder kalibriert und die Qualität geprüft hat, werden die Daten als öffentliche Datensätze veröffentlicht. Die erste vollständige Infrarot-Himmelskarte steht nun sowohl Berufsastronomen als auch fortgeschrittenen Amateuren oder neugierigen Nutzern zur Verfügung.

Während der zweijährigen nominellen Mission ist geplant, dass SPHEREx den gesamten Himmel viermal scannt. Nach etwa einem Jahr Betrieb kündigte die NASA die Veröffentlichung der vollständigen Karte in allen 102 Infrarotfarben als Referenzkatalog an. Jeder weitere Durchgang wird die Gesamtempfindlichkeit verbessern und die Detektion immer schwächerer Quellen ermöglichen. Mit zunehmender Füllung des Archivs wächst auch das Potenzial für unerwartete Entdeckungen – von seltenen Galaxientypen bis hin zu ungewöhnlichen Staubwolken und neuen Hinweisen auf die Entstehung von Planetensystemen.

Für Astronomen, die Beobachtungen mit anderen Teleskopen planen, bietet SPHEREx eine wertvolle „Vorschau“ auf den Himmel. Forscher können im Archiv nach Interessengebieten suchen, prüfen, ob dort ungewöhnliche spektroskopische Signaturen oder eine hohe Staub- und Gaskonzentration vorliegen, und ihre Detailbeobachtungen entsprechend anpassen. Gleichzeitig ist auch das umgekehrte Szenario möglich: Objekte, die zufällig von anderen Missionen entdeckt wurden, können in den Karten von SPHEREx in einem breiteren Kontext analysiert und mit der sie umgebenden Umgebung in Verbindung gebracht werden.

Im weiteren Verlauf der Mission wird die Datenmenge exponentiell ansteigen, und die erste Himmelskarte von SPHEREx wird als Referenzpunkt für das nächste Jahrzehnt der Forschung dienen. Sie erinnert daran, dass auch ein relativ kompaktes Teleskop in einer niedrigen Erdumlaufbahn ein Fenster zu den frühesten Momenten des Universums öffnen und gleichzeitig den Weg von Wasser und organischen Molekülen verfolgen kann, die eines Tages, irgendwo, in den Ozeanen einer anderen Welt landen könnten.