Das James Webb-Weltraumteleskop (JWST) ist das größte und leistungsstärkste Weltraumteleskop überhaupt. Das Infrarot-Weltraumobservatorium der NASA startete am 25. Dezember 2021 um 7:20 Uhr ET (12:20 Uhr GMT; 9:20 Uhr Ortszeit in Kourou) an Bord einer Arianespace Ariane-5-Trägerrakete vom ESA-Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana. Das 10 Milliarden Dollar teure James Webb-Teleskop wird den Kosmos erforschen, um die Geschichte des Universums zu entschlüsseln – vom Urknall bis zur Entstehung von Exoplaneten und darüber hinaus.
Dies ist eines der Observatorien der NASA, riesige Weltrauminstrumente wie das Hubble-Weltraumteleskop, die in die Tiefen des Universums blicken. JWST wird die Sonne am zweiten Lagrange-Punkt (L2) umkreisen, fast 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Hauptspiegel: 6,5 Meter Durchmesser. Sonnenschild: 22 Meter mal 12 Meter. Masse: 6.500 Kilogramm. Es wurde in „Astrophysics in the Next Decade: The James Webb Space Telescope and Associated Facilities“ (Proceedings of the Astrophysics and Space Science Conference) vorgestellt.
Der Hauptspiegel des James-Webb-Weltraumteleskops hat einen Durchmesser von 6,5 Metern. NASA/C. Gunn
Das JWST benötigte 30 Tage, um fast 1,5 Millionen Kilometer zu seinem permanenten Schwerpunkt zu gelangen: dem Lagrange-Punkt 2, einem gravitativ stabilen Punkt im Weltraum. Am 24. Januar 2022 erreichte das Teleskop den Lagrange-Punkt L2, den zweiten Lagrange-Punkt zwischen Sonne und Erde.
L2 ist ein Punkt im Weltraum in Erdnähe gegenüber der Sonne; diese Umlaufbahn ermöglicht es dem Teleskop, auf seiner Umlaufbahn um die Sonne in einer Linie mit der Erde zu bleiben. Dieser Standort wurde bereits häufig von mehreren anderen Weltraumteleskopen genutzt, darunter dem Herschel-Weltraumteleskop und dem Planck-Weltraumobservatorium.
Laut NASA wird sich das James Webb-Weltraumteleskop auf vier Hauptbereiche konzentrieren: das erste Licht im Universum, die Entstehung von Galaxien im frühen Universum, die Geburt von Sternen und protoplanetaren Systemen sowie Planeten (einschließlich der Entstehung des Lebens).
Das James Webb-Weltraumteleskop der NASA kann nun mithilfe mehrerer Instrumente klare Bilder von Himmelsobjekten aufnehmen, gab die Agentur am 28. April 2022 bekannt. NASA/STScI
Am 11. Juli 2022 gab die NASA bekannt, dass alle 17 „Modi“ der wissenschaftlichen Instrumente des Observatoriums vollständig getestet worden seien und dass das James Webb-Weltraumteleskop bereit sei, seine epische wissenschaftliche Mission zu beginnen.
Das leistungsstarke JWST macht wie sein Vorgänger, das Hubble-Weltraumteleskop, beeindruckende Bilder von Himmelsobjekten. Zum Glück für die Astronomen ist das Hubble-Weltraumteleskop weiterhin in gutem Zustand, und die beiden Teleskope werden in den ersten Betriebsjahren des JWST zusammenarbeiten. Das JWST wird außerdem Exoplaneten untersuchen, die zuvor vom Kepler-Weltraumteleskop entdeckt wurden, und weiterhin Echtzeitbeobachtungen von erdgebundenen Weltraumteleskopen durchführen.
Das „Selfie“ zeigt 18 Segmente des Hauptspiegels des James-Webb-Weltraumteleskops, wie sie von einer Spezialkamera im NIRCam-Instrument aufgenommen wurden. NASA
Das James-Webb-Teleskop ist ein internationales Gemeinschaftsprojekt der NASA, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der kanadischen Weltraumorganisation. Laut NASA waren mehr als 300 Universitäten, Organisationen und Unternehmen aus 29 US-Bundesstaaten und 14 Ländern am JWST-Projekt beteiligt.
Das JWST funktioniert wie fast jedes andere Teleskop: Seine Hauptaufgabe besteht darin, Licht zu sammeln und zu fokussieren, damit wir weiter sehen können. Es gibt jedoch viele Unterschiede: Das JWST sieht in einem anderen Bereich des elektromagnetischen Spektrums als unsere Augen. Wir sehen sichtbares Licht, das JWST hingegen sieht Infrarot, also „Wärmestrahlung“, wie eine Nachtsichtkamera. Da es außerdem sehr groß ist, kann es deutlich mehr Licht sammeln und so weiter entfernte, kleinere und kältere Objekte erkennen. Es ist außerdem hilfreich, dass es sich im Weltraum befindet, da es nicht durch die Atmosphäre blicken muss, die viele wirklich nützliche und interessante Informationen ausblendet.
Das erste veröffentlichte Bild des James-Webb-Weltraumteleskops zeigt einen Teil eines Mosaiks, das über einen Zeitraum von 25 Stunden ab dem 2. Februar 2022 erstellt wurde, als das James-Webb-Weltraumteleskop begann, seine 18 Spiegelsegmente auszurichten. NASA
Warum ermöglicht ein so weit entferntes Bild dem JWST, Galaxien im frühen Universum zu sehen?
Je weiter ein Objekt im Universum entfernt ist, desto schneller entfernt es sich von uns. Schnelle Objekte erfahren ein Phänomen namens Rotverschiebung, das sie röter erscheinen lässt. Ist ein Objekt schließlich sehr weit entfernt, wird es noch röter als rot und wird infrarot. Deshalb kann das JWST weiter sehen als jedes andere Teleskop, das wir je hatten.
Licht braucht Zeit, um uns zu erreichen. Daher sind die am weitesten entfernten Objekte auch die ältesten. Teleskope wie Hubble und das JWST blicken in die Vergangenheit. Das JWST kann weiter sehen als Hubble, da es im Infrarotlicht arbeitet und so fast bis zum Beginn des Universums vor 13,7 Milliarden Jahren blicken kann.
Das erste veröffentlichte wissenschaftliche Bild, aufgenommen vom James Webb-Weltraumteleskop der NASA am 11. Juli 2022, ist das bisher tiefste Infrarotbild des Universums. NASA, ESA, CSA und STScI
Das JWST umkreist einen Punkt im Weltraum, den sogenannten Lagrange-Punkt L2. Dieser ist 1,5 Millionen Kilometer von uns entfernt, sodass die Erdwärme seine Beobachtungen nicht stört. L2 ist ein Gravitationsfeld und kann daher nicht weniger Treibstoff verbrauchen, als wenn es an einem beliebigen Punkt im Weltraum schweben würde. Hilfreich ist auch, dass L2 der Erde um die Sonne folgt, sodass Wissenschaftler jederzeit mit dem Teleskop kommunizieren und Bilder herunterladen können.
Die JWST-Raumsonde der NASA wurde am 25. Dezember 2021 um 7:20 Uhr ET (12:20 Uhr GMT; 9:20 Uhr Ortszeit in Kourou) vom ESA-Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana mit einer Arianespace Ariane-5-Trägerrakete gestartet.
Dank des erfolgreichen und präzisen Starts gab die NASA bekannt, dass das JWST über genügend Treibstoff verfügen sollte, um seine Mindestmissionsdauer von zehn Jahren mehr als zu verdoppeln. Seit dem Start hat das James-Webb-Weltraumteleskop kontinuierlich an Bedeutung gewonnen.
Das James-Webb-Weltraumteleskop nach der Trennung von der Ariane-5-Rakete, die es ins All beförderte. Dies ist eines der letzten Bilder dieses beeindruckenden Teleskops. ESA
Das James-Webb-Weltraumteleskop entfaltete am 26. Dezember 2021 seine Hauptantenne und testete sie. Der Vorgang dauerte laut NASA etwa eine Stunde. Die Antenne wird zweimal täglich wissenschaftliche Daten zur Erde übertragen. Nur einen Tag später, am 27. Dezember, verließ das Observatorium die Umlaufbahn des Mondes.
Am 31. Dezember 2021 entfaltete das Webb-Teleskop erfolgreich seinen massiven Sonnenschutz. Das Spannen der fünf Schichten des Sonnenschutzes begann am 3. Januar 2022 und wurde am folgenden Tag abgeschlossen. Der Sekundärspiegel des Teleskops wurde am 5. Januar 2022 erfolgreich ausgefahren und eingerastet.
Am 8. Januar 2022 gab die NASA bekannt, dass das James-Webb-Weltraumteleskop seinen riesigen Hauptspiegel erfolgreich ausgefahren hatte und nun voll einsatzbereit sei. Der nächste Schritt für Webb bestand darin, die 18 Einzelspiegel auszurichten, aus denen der Hauptspiegel des Observatoriums besteht.
Die ersten wissenschaftlichen Bilder des James Webb-Weltraumteleskops der NASA wurden von der NASA während einer Live-Übertragung am 12. Juli 2022 um 10:30 Uhr ET (14:30 Uhr GMT) offiziell veröffentlicht. Die Bilder umfassten die Space Rocks im Carinanebel, den spektakulären südlichen Ringnebel, Stephans Quintett und eine Analyse der atmosphärischen Zusammensetzung des Gasriesen-Exoplaneten WASP-96 b.
Das James-Webb-Weltraumteleskop wird einer Reihe wissenschaftlicher Tests und Kalibrierungstests unterzogen, darunter die Entfaltung des Sonnenschutzes, die Entfaltung des Teleskops, die Aktivierung der Instrumente und die Ausrichtung des Teleskops.
„Wissen Sie, was mich am meisten begeistert?“, sagte Thomas Zurbuchen, stellvertretender Leiter der NASA-Abteilung für Wissenschaft, bei einer Veranstaltung nach der Veröffentlichung der Bilder. „Zehntausende Wissenschaftler – und ehrlich gesagt, manche von ihnen sind gerade erst geboren, manche noch gar nicht – profitieren von diesem erstaunlichen Teleskop, denn es wird uns noch Jahrzehnte lang begleiten.“
Bevor das erste Bild und die ersten Daten veröffentlicht wurden, hatte Webb bei Instrumentenprüfungen bereits mehrere beeindruckende Bilder geliefert.
Am 11. Februar 2022 gab die NASA bekannt, dass das JWST seine ersten Bilder von Sternenlicht aufgenommen hatte. Das erste Bild, aufgenommen von Webb, zeigte den Stern HD 84406. Das Licht von HD84406 wurde von 18 Webb-Spiegelsegmenten auf dem Hauptspiegel eingefangen, wodurch ein Mosaik aus 18 verstreuten hellen Punkten entstand.
„Während sich Webb in den nächsten Monaten ausrichtet und fokussiert, werden sich diese 18 Punkte allmählich zu einem einzigen Stern auflösen“, schrieb Thomas Zurbuchen, stellvertretender Administrator der NASA für das Management wissenschaftlicher Missionen, auf Twitter.
Am 18. Februar 2022 veröffentlichte die NASA ein neues, verbessertes Bild von HD84406. Es zeigt 18 unscharfe Kopien des Sterns, die in einem hexagonalen Muster angeordnet sind. Sobald das Observatorium die einzelnen Segmente des Hauptspiegels erfolgreich ausgerichtet hat, beginnt es mit dem Stapeln der Bilder. Dadurch werden die 18 Bilder übereinandergelegt und ergeben ein einziges, scharfes Bild.
Das James Webb-Weltraumteleskop ist das größte und leistungsstärkste Weltraumteleskop, das heute existiert. dima_zel
Webb machte außerdem ein spektakuläres „Selfie“ mit einer Spezialkamera im NIRCam-Instrument. Die Kamera ist für den Einsatz in der Technik und Ausrichtung vorgesehen. Das „Selfie“ zeigt, dass ein Segment des Spiegels heller ist als die anderen. Dies liegt daran, dass es zu diesem Zeitpunkt das einzige Segment war, das erfolgreich ausgerichtet und auf den Stern gerichtet war. Die übrigen Segmente des Spiegels wurden nach und nach erfolgreich ausgerichtet.
Am 28. April 2022 gab die NASA in einer Erklärung bekannt, dass das James Webb-Weltraumteleskop seine Ausrichtungsphase abgeschlossen habe und damit gezeigt habe, dass es mit allen vier seiner wissenschaftlichen Instrumente „scharfe, gut fokussierte Bilder“ erzeugen könne.
Die wissenschaftlichen Ziele des JWST gliedern sich im Wesentlichen in vier Bereiche:
Erstes Licht und Reionisierung
Dies bezieht sich auf die frühen Stadien des Universums nach dem Urknall, aus dem das Universum, wie wir es heute kennen, entstand. In den frühen Stadien nach dem Urknall war das Universum ein Meer aus Teilchen (wie Elektronen, Protonen und Neutronen), und Licht war erst sichtbar, als das Universum so weit abkühlte, dass diese Teilchen zu verschmelzen begannen. Das JWST wird auch Ereignisse nach der Entstehung der ersten Sterne untersuchen; diese Ära wird als „Epoche der Reionisierung“ bezeichnet, da sie sich auf die Zeit bezieht, in der neutraler Wasserstoff durch die Strahlung dieser ersten Sterne reionisiert wurde (und wieder eine elektrische Ladung erhielt).
Zusammenbau von Galaxien
Die Beobachtung von Galaxien ist ein hilfreiches Mittel, um die Anordnung von Materie auf riesigen Skalen zu verstehen, was uns wiederum Einblicke in die Entwicklung des Universums gibt. Die Spiral- und Ellipsengalaxien, die wir heute sehen, haben sich über Milliarden von Jahren aus unterschiedlichen Formen entwickelt. Eines der Ziele des JWST ist es, die ältesten Galaxien zu untersuchen, um diese Entwicklung besser zu verstehen. Wissenschaftler versuchen auch zu verstehen, wie die Vielfalt der Galaxien, die wir heute sehen, entstand und wie sie sich heute bilden und miteinander verschmelzen.
Die Geburt von Sternen und protoplanetaren Systemen
Die „Säulen der Schöpfung“ im Adlernebel sind einer der bekanntesten Orte, an denen Sterne geboren werden. Sterne entstehen in Gaswolken, und während ihres Wachstums verdrängt der von ihnen erzeugte Strahlungsdruck das sie umgebende Gas (das zur Entstehung weiterer Sterne genutzt werden könnte, wäre es nicht so weit verstreut). Doch der Blick in dieses Gas ist schwierig. Die Infrarot-„Augen“ des JWST werden die Wärmequellen beobachten können, darunter auch die Sterne, die in diesen Kokons geboren werden.
Planeten und der Ursprung des Lebens
In den letzten zehn Jahren wurde eine große Anzahl von Exoplaneten entdeckt, unter anderem durch das Planetensuch-Weltraumteleskop Kepler der NASA. Die leistungsstarken Sensoren des JWST ermöglichen es Wissenschaftlern, diese Planeten genauer zu untersuchen und (in einigen Fällen) auch ihre Atmosphären abzubilden. Das Verständnis der Zusammensetzung und Entstehung von Planetenatmosphären könnte Wissenschaftlern helfen, besser vorherzusagen, ob Planeten bewohnbar sind.
JWST und Hubble. JWST ist mit vier wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet, die Beobachtungen im sichtbaren, nahen und mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich (0,6 bis 28,5 Mikrometer) ermöglichen.
Das Wesen des wissenschaftlichen Fortschritts besteht darin, „auf den Schultern von Riesen zu stehen“, und genau das tut das JWST, wobei seine wissenschaftlichen Ziele auf den Ergebnissen des Hubble-Weltraumteleskops basieren.
Das James Webb-Weltraumteleskop und das Hubble-Weltraumteleskop verfügen über sehr unterschiedliche Fähigkeiten. drmakkoy via Getty Images
Die beiden Weltraumteleskope verfügen über unterschiedliche Fähigkeiten: Hubble hat den Kosmos hauptsächlich im optischen und ultravioletten Licht (mit einigen Infrarotfähigkeiten) beobachtet. JWST untersucht das Universum hauptsächlich im Infrarotlicht. Während sich das Universum ausdehnt, wird das Licht entfernter Objekte laut ESA zu längeren Wellenlängen am rötlicheren Ende des Spektrums verschoben, was als Rotverschiebung bezeichnet wird. JWST wird dieses Infrarotlicht in allen Einzelheiten beobachten und Licht auf einige der ältesten Sterne und Galaxien im Universum werfen.
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Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen dem James-Webb-Weltraumteleskop und dem Hubble-Weltraumteleskop besteht darin, dass das JWST die Sonne umkreist, während Hubble die Erde umkreist. Das JWST wäre zu weit entfernt, um gewartet zu werden, im Gegensatz zu Hubble, das mit dem Space Shuttle erreicht werden konnte.
JWST ist nach dem ehemaligen NASA-Administrator James Webb benannt. Webb leitete die Raumfahrtbehörde von 1961 bis 1968 und trat nur wenige Monate vor der Mondlandung der NASA zurück. Unter Webbs Führung startete die NASA mehr als 75 wissenschaftliche Weltraummissionen. Dazu gehörten Missionen zur Erforschung der Sonne, der Sterne und Galaxien sowie des Weltraums direkt hinter der Erdatmosphäre.
Vergleich der entsprechenden Spiegel des Hubble-Weltraumteleskops (NASA/ESA) und des James-Webb-Weltraumteleskops (NASA/ESA/CSA). Future/Adrian Mann
Wenn Webb ein Bild einer weit entfernten Galaxie macht, sehen Astronomen im Wesentlichen, wie diese Galaxie vor Milliarden von Jahren aussah. Das Licht dieser Galaxie benötigt Milliarden von Jahren, um durch den Weltraum zu reisen und den Spiegel des Teleskops zu erreichen. Es ist wie eine Zeitmaschine, die Schnappschüsse des frühen Universums macht, berichtet The Conversation.
Mithilfe eines riesigen Spiegels sammelt Webb uraltes Licht und enthüllt so neue Geheimnisse des Universums.
Bevor das Licht die Kameras erreichen kann, muss es zunächst vom riesigen Goldspiegel des Webb-Teleskops eingefangen werden. Der Spiegel ist über 6,5 Meter breit und besteht aus 18 kleineren Spiegelelementen, die wie eine Wabe miteinander verbunden sind. Er ist mit einer dünnen Schicht aus echtem Gold überzogen – nicht nur aus optischen Gründen, sondern weil Gold Infrarotlicht sehr gut reflektiert.
Ein Mann arbeitet am Wissenschaftsmodul des James-Webb-Weltraumteleskops, das zahlreiche Instrumente enthält. Gunn/NASA
Der Spiegel sammelt Licht aus den Tiefen des Weltraums und reflektiert es zurück zu den Instrumenten des Teleskops. Je größer der Spiegel, desto mehr Licht kann er sammeln und desto weiter kann er sehen. Webbs Spiegel ist der größte, der jemals ins All geschossen wurde.
Die wichtigsten „Augen“ des Teleskops sind zwei wissenschaftliche Instrumente, die als Kameras fungieren: NIRCam und MIRI.
NIRCam steht für Near Infrared Camera. Es handelt sich um die Hauptkamera des Webb-Teleskops, die beeindruckende Bilder von Galaxien und Sternen aufnimmt. Sie verfügt außerdem über einen Koronographen, ein Gerät, das das Sternenlicht blockiert und so die Aufnahme sehr dunkler Objekte in der Nähe heller Quellen ermöglicht, beispielsweise von Planeten, die helle Sterne umkreisen.
NIRCam bildet Nahinfrarotlicht ab, das dem menschlichen Auge am nächsten kommt, und zerlegt es in verschiedene Wellenlängen. Dadurch können Wissenschaftler nicht nur das Aussehen eines Objekts, sondern auch dessen Zusammensetzung nachvollziehen. Verschiedene Materialien im Weltraum absorbieren und emittieren Infrarotlicht bestimmter Wellenlängen und erzeugen so eine Art einzigartigen chemischen „Fingerabdruck“. Durch die Untersuchung dieser „Fingerabdrücke“ können Wissenschaftler die Eigenschaften ferner Sterne und Galaxien entschlüsseln.
MIRI (Mid-Infrared Instrument) erfasst längere Infrarotwellenlängen, die besonders nützlich sind, um kühlere, staubigere Objekte zu entdecken, wie etwa Sterne, die sich in Gaswolken noch in der Entstehung befinden. MIRI könnte sogar dazu beitragen, Hinweise auf die Arten von Molekülen in Planetenatmosphären zu finden, die Leben begünstigen könnten.
Ein Vergleich eines Wärmebilds eines Gartengrundstücks (links) mit einem realen Bild zeigt den Temperaturunterschied zwischen dem warmen Asphalt und den relativ kühleren Pflanzen. Peter Bruce-Eary
Beide Kameras sind weitaus empfindlicher als die auf der Erde verwendeten Standardkameras. NIRCam und MIRI können winzige Wärmemengen aus Milliarden von Lichtjahren Entfernung wahrnehmen. Wäre Webbs NIRCam Ihre Augen, könnten Sie die Wärme einer Hummel auf dem Mond sehen. So empfindlich ist sie.
Da Webb versucht, die schwache Wärme weit entfernter Objekte einzufangen, muss er seine Temperatur so niedrig wie möglich halten. Deshalb ist er mit einem riesigen Sonnenschutz von der Größe eines Tennisplatzes ausgestattet. Dieser fünfschichtige Sonnenschutz blockiert die Wärme von Sonne, Erde und sogar dem Mond und sorgt dafür, dass Webb unglaublich kalt bleibt: etwa -223 °C (-370 °F).
MIRI muss noch kälter sein. Es verfügt über einen speziellen Kühlschrank, einen sogenannten Kryokühler, der die Temperaturen auf fast -266 Grad Celsius hält. Wäre Webb auch nur ein bisschen warm, würde seine eigene Wärme die entfernten Signale übertönen, die es zu empfangen versucht.
Sobald das Licht die Kameras des Webb-Teleskops erreicht, trifft es auf Sensoren, sogenannte Detektoren. Diese Detektoren machen keine normalen Fotos wie eine Handykamera. Stattdessen wandeln sie das einfallende Infrarotlicht in digitale Daten um. Diese Daten werden dann zur Erde zurückgesendet, wo Wissenschaftler sie in Farbbilder umwandeln.
Die Spiegel des James Webb-Weltraumteleskops werden zusammengebaut. NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett
Die Farben, die wir in Webbs Bildern sehen, stimmen nicht mit dem überein, was die Kamera direkt „sieht“. Da Infrarotlicht unsichtbar ist, ordnen Wissenschaftler Farben verschiedenen Wellenlängen zu, um uns zu helfen, den Bildinhalt zu verstehen. Diese verarbeiteten Bilder helfen uns, Struktur, Alter und Zusammensetzung von Galaxien, Sternen und mehr zu erkennen.
Indem er mithilfe eines riesigen Spiegels unsichtbares Infrarotlicht sammelt und an Ultrakaltkameras sendet, ermöglicht uns Webb, Galaxien zu sehen, die kurz nach der Geburt des Universums entstanden sind.
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