Am 25. Dezember 2021 ist das James-Webb-Weltraumteleskop erfolgreich gestartet. Es ist das größte und teuerste Teleskop in der Geschichte der Raumfahrt. Seit dem 24. Januar 2022 befindet es sich am Lagrange Punkt L2 in einem Orbit um die Sonne, 1,5 Millionen Kilometer entfernt von der Erde. Von dort liefert es seit dem 11. Juli 2022 Bilder und Messungen in einmaliger Qualität.
Das James-Webb-Teleskop tritt die Nachfolge vom Hubble Teleskop an und wird die Entstehung von Sternen sowie die Bildung von Galaxien erforschen. Auch ferne Exoplaneten in der Milchstraße sollen mit dem Teleskop genauer untersucht werden. Dabei sind die Möglichkeiten des James Webb Space Teleskops (JWST) weitaus umfangreicher als die des Hubble Teleskops.
Das JWST hat mehrere Instrumente, welche das Universum auch im Infraroten Spektralbereich untersuchen können. Dieses längerwellige Licht hat weite Entfernungen zurückgelegt und stammt von älteren, weiter entfernten Sternen und Galaxien. Dadurch wird das James-Webb-Teleskop wahrscheinlich unser Wissen zur Entstehung des Universums deutlich verbessern.
Was sind die Missionsziele und welche Ergebnisse sind zu erwarten? Wie sind die technischen Details des Teleskops und welche Instrumente sind an Bord?
In diesem Artikel geben wir einen Überblick über die wichtigsten Infos und Daten zum James-Webb-Weltraumteleskop. Auch fassen wir die aktuellen Entwicklungen und Ergebnisse des JWST zusammen.
Inhaltsübersicht
James-Webb-Weltraumteleskop im Überblick
Das James Webb Teleskop ist das größte und teuerste Weltraumteleskop, das bisher gebaut wurde.
Es ist ein internationales Projekt, an dem drei Raumfahrtorganisationen beteiligt sind:
- NASA (National Aeronautics and Space Administration)
- ESA (European Space Agency) und
- CSA (Canadian Space Agency)
Technische Daten
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick der wichtigsten technischen Daten zum Infrarot-Teleskop JWST:
| Start | 25. Dezember 2021 |
| Missionsdauer | ca. 10 Jahre |
| Position | stabiler Orbit am Lagrange Punkt 2 |
| Gewicht | 6.200 kg |
| Größe | ca. 21 m x 15 m |
| Durchmesser des Spiegels | 6,5 m |
| Wellenlängenbereich | 0.6 – 28.5 Mikrometer |
| Betriebstemperatur | etwa 50 Kelvin (- 223 Grad Celsius) |
Der Spiegel
Das James-Webb-Teleskop besitzt den größten Spiegel, der bisher auf einem Weltraumteleskop zum Einsatz gekommen ist. Mit einem Durchmesser von 6,5 Metern ist der Spiegel so groß, dass er in keine Trägerrakete passt.
Wie konnte das Teleskop dann doch von der Trägerrakete Ariane 5 in den Weltraum transportiert werden? Der Spiegel besteht aus 18 Segmenten und kann so zusammengefaltet werden, dass das Teleskop in eine Rakete passt. Nach dem erfolgreichen Start musste der Spiegel im Weltraum dann wieder auseinander gefaltet werden.
Credit: NASA
Der Start
Die Liste der Verzögerungen und Verschiebungen beim James-Webb-Teleskop ist lang: Der Start war ursprünglich bereits für das Jahr 2007 geplant.
Nachdem auch in 2021 der Start wieder mehrmals verschoben wurde, war es am 25. Dezember 2021 dann doch soweit: Durch eine Ariane 5 Rakete ist das Webb-Teleskop vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou, Französisch Guyana gestartet.
Am 24. Januar 2022 hat das Teleskop sein Ziel erreicht: den Lagrange Punkt L2. An diesem Punkt ist das Teleskop in einem stabilen Orbit und befindet sich immer auf der Nachtseite der Erde. Dies ermöglicht zusammen mit dem riesigen Sonnenschild die Abkühlung des Teleskops und ist so optimal für Beobachtungen im infraroten Spektralbereich.
Vergleich: James Webb und Hubble Teleskop
Hubble Nachfolger
Das James Webb Teleskop kann in vielerlei Hinsicht als Nachfolger des Hubble Teleskops angesehen werden. Doch es gibt auch eine Reihe von Punkten, in denen sich das moderne Webb Teleskop vom Vorgänger unterscheidet.
Die Entwicklung des James-Webb-Teleskops begann bereits 1996, also wenige Jahre nachdem das Hubble Teleskop erfolgreich gestartet wurde und uns die ersten atemberaubenden Bilder von fernen Galaxien schickte.
Die Aufnahmen vom Hubble Nachfolger werden wahrscheinlich nochmal um einiges spektakulärer sein. Dies liegt insbesondere an drei wichtigen Veränderungen gegenüber dem älteren Teleskop:
- Das Hubble Teleskop macht Messungen fast ausschließlich im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich. JWST hat mehrere Instrumente an Bord, die auch Licht im mittleren infraroten Spektralbereich messen können. Dieses Licht stammt von Sternen, die weiter entfernt sind. Siehe hierzu auch das Kapitel: Die Instrumente des James-Webb-Teleskops.
- Hubble befindet sich in einem Erdorbit, in etwa 570 km Höhe. Das Webb-Teleskop befindet sich am Lagrange Punkt L2, fern der Sonne und im Erdschatten. Das sorgt dafür, dass die Instrumente deutlich weniger durch Strahlung und Wärme der Sonne beeinflusst werden.
- Der Hauptspiegel: Das Hubble Teleskop hat einen Spiegel mit einem Durchmesser von 2,4 Metern, der Spiegel des JWST ist 6,5 Meter groß. Damit kann Webb etwa 6-mal mehr Licht bündeln als Hubble. Das bedeutet, dass in der gleichen Messzeit viel genauere Messungen durchgeführt werden können.
Wie groß sind Hubble und James Webb?
Das Hubble Teleskop ist ca.13 Meter lang und hat einen Durchmesser von ungefähr 4,2 Metern. Damit hat es in etwa die Größe von einem LKW.
Das James-Webb-Teleskop ist ungefähr 21 Meter lang und ca. 15 Meter breit. Dies entspricht ungefähr der Größe von einem Tennisplatz.
Die folgende Abbildung zeigt die beiden Teleskope im gleichen Maßstab.
Die Ziele der JWST Mission
Welches sind die Ziele der Webb Mission? Welche wissenschaftlichen Themen sollen untersucht werden und welche astronomischen Fragen soll das Teleskop beantworten?
Bereits vor dem Start wurden eine Reihe von Projekten ausgewählt, für die das erste Jahr der Messungen genutzt werden soll. Dieses sind meist bestimme Forschungsprojekte, welche sich mit den aktuellen Fragen der Kosmologie und Astrophysik beschäftigen. So ist für jeden Kalendertag die Verwendung der 4 verschiedenen Instrumente des Teleskops genau festlegt.
Zu den astronomischen Themen, die in den ersten Monaten erforscht werden sollen, gehören vor allem:
- Big Bang (Urknall)
- Entstehung von Galaxien und Sternen
- Exoplaneten
Genauer soll das JWST dabei die folgenden Fragestellungen untersuchen:
Was passierte nach dem Big Bang?
Das Webb Teleskop kann mehr als 13,5 Milliarden Jahre in die Vergangenheit schauen. Damit sind die Forscher in der Lage, die ersten hundert Millionen Jahre nach dem Urknall zu untersuchen. Es sollen die ersten Strukturen erforscht werden, die sich im Universum gebildet haben. Dafür eignet sich die hohe Auflösung des JWST besonders gut, welche auch Details erfasst, die mit Hubble nicht möglich sind.
Wie sind Sterne und Galaxien entstanden, wie entwickeln sich diese und woraus bestehen sie?
Zur Beantwortung dieser Fragen soll das Teleskop unter anderem die Milchstraße und die Magellanschen Wolken untersuchen. Diese Galaxien eignen sich besonders zur Forschung auf dem Gebiet der Sternentstehung. Durch den Blick in die Vergangenheit können die Wissenschaftler untersuchen, wie die Bildung von Sternen aus Staubwolken erfolgt. Auch werden sehr viele unterschiedlich alte Sterne untersucht, um so die Entwicklung von Sternen genauer zu erforschen.
Zudem kann das Webb Teleskop durch Infrarot Spektroskopie auch die Zusammensetzung von Sternen und Galaxien bestimmen. So soll zum Beispiel untersucht werden, ob die Andromeda Galaxie ähnlich zusammengesetzt ist wie unsere Galaxie, die Milchstraße. Und in dem viele verschiedene Galaxien untersucht werden, kann auch die Entwicklung der Zusammensetzung erforscht werden.
Sind in der Atmosphäre von Exoplaneten Zeichen von Leben zu finden?
Durch Spektroskope im infraroten Spektralbereich kann Webb auch die Moleküle Wasser, Kohlendioxid, Methan feststellen. Diese gelten als Zeichen dafür, dass auf der Oberfläche eines Exoplaneten eventuell Leben möglich ist. Eines der ersten Systeme, in welchem die Atmosphäre von Exoplaneten genauer erforscht werden soll, ist das Trappist-1 System. Trappist-1 enthält 7 Planeten, von denen sich wahrscheinlich 3 Planeten in der habitablen Zone befinden.
Ergebnisse
Aufgrund der bis jetzt einmaligen technischen Fähigkeiten ist davon auszugehen, dass Webb viele dieser Fragen beantworten kann. Insbesondere die hohe Auflösung und die spektroskopischen Messungen im infraroten Bereich ermöglichen neue Beobachtungen und Forschungen.
Die Dauer der Mission war zunächst für 10 Jahre geplant. Aufgrund eines sehr geringen Treibstoffverbrauchs während des Starts könnte der Betrieb aber eventuell für mehr als 20 Jahre möglich sein.
In dieser Zeit wird das Webb Teleskop viele neue interessante Entdeckungen machen und wohl auch zu zahlreichen neuen Erkenntnissen führen. Und es wird auch viele neue, bisher unbekannte Fragen geben.
Einen Überblick der ersten Ergebnisse und Bilder vom JWST findet ihr in diesen beiden Artikeln:
Im Folgenden gehen wir genauer darauf ein, über welche Instrumente das JWST verfügt und wie diese zum Erreichen der Misstons-Ziele beitragen können.
Die Instrumente des James-Webb-Teleskops
An Bord des JWST befinden sich 4 Instrumente, die einen großen Spektralbereich des Lichts abdecken. Das Teleskop kann Licht sowohl im sichtbaren Bereich als auch im nahen und mittleren Infrarot messen.
Gegenüber dem Hubble Teleskop ergibt sich dadurch eine Erweiterung des Spektralbereichs vor allem im Infraroten:
- Das Hubble Teleskop kann im Bereich von 0,1 bis 24 Mikrometer messen. Optimiert ist das Teleskop jedoch für Messungen im ultravioletten und sichtbaren Bereich: 0,1 bis 0,8 Mikrometer (100 bis 800 Nanometer).
- JWST deckt den Bereich von 0,6 bis 28 Mikrometer ab. Dabei ist das ganze Teleskop (Position im Weltraum, Sonnenschild, Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt) so konzipiert, dass die Fähigkeiten des Teleskops vor allem im infraroten Spektralbereich liegen.
Die 4 Instrumente an Bord des Webb-Teleskops sind:
- NIRCam: Near-Infrared Camera
- NIRSpec: Near-Infrared Spectrograph
- MIRI: Mid-Infrared Instrument
- FGS/NIRISS: Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph
Im Folgenden gehen wir auf diese 4 Instrumente genauer ein und beschreiben deren Aufbau, Technik und Fähigkeiten. Auch fassen wir zusammen, wie sie zu den Zielen der James Webb Mission beitragen.
NIRCam
Die Near-Infrared Camera ist das Hauptinstrument für den nahen Infrarotbereich. Es kann im Wellenlängenbereich von 600 Nanometer (rotes Licht) bis 5 Mikrometer (mittleres Infrarot) messen.
Dabei verfügt es über eine sehr hohe Auflösung und die Möglichkeit zur Spektroskopie. So kann NIRCam genutzt werden, um eine Reihe von wissenschaftlichen Fragen zu untersuchen.
Entstehung von Galaxien und Sternen
Zum einen kann NIRCam das Licht von Sternen in der Milchstraße und nahen Galaxie messen. Zum anderen kann es auch das Licht von fernen Galaxien detektieren, deren Sterne bereits wenige hundert Millionen Jahren nach dem Urknall entstanden.
So misst NIRCam sowohl das Licht von älteren Galaxien als auch von relativ jungen Galaxien, deren Sterne sich gerade erst gebildet haben. Dies könnte neue Erkenntnisse zur Entstehung von Sternen und der Bildung von Galaxien geben.
Exoplaneten
Die NIRCam verfügt auch über einen Coronagraphen. Dieser ermöglicht es, das Licht einer starken Lichtquelle auszublenden. So können auch kleinere Lichtquellen (Planeten) in der Nähe von starken Lichtquellen (Sternen) untersucht werden. Dies ist für die Erforschung von Exoplaneten interessant.
Eine weitere Besonderheit von NIRCam ist die Möglichkeit Zeitreihen anzufertigen. Dabei kann die Änderung der Helligkeit eines Objektes über einen längeren Zeitraum gemessen werden. Auch dies ist für die Untersuchung von Exoplaneten sehr vorteilhaft und ermöglicht zum Beispiel den Nachweis von Exoplaneten mit der Transitmethode.
NIRCam kontrolliert auch die Qualität der optischen Einheiten des JWST. So kann es unter anderem feststellen, ob es Ungenauigkeiten oder Fehler am Hauptspiegel oder in der Justierung der einzelnen Segmente gibt. Dadurch garantiert die NIRCam, dass das Teleskop sowohl auf nahe als auch ferne Lichtquellen optimal fokussieren kann und die Messungen lange mit der gleichen Qualität durchgeführt werden können.
NIRSpec
Der Near-Infrared Spectrograph deckt den Wellenlängenbereich von 600 Nanometer bis 5,3 Mikrometer ab. Mit den von diesem Instrument aufgenommenen Spektren im nahen Infrarotbereich können Wissenschaftler das Licht von verschiedenen Objekten (Sterne, Planeten, etc.) genau untersuchen.
Dadurch lässt sich nicht nur die chemische Zusammensetzung dieser Objekte bestimmen, auch auf deren Temperatur und Masse kann zurückgeschlossen werden. Dabei können mit dem NIRSpec jeweils 200 Objekte gleichzeitig untersucht werden, das heißt das Instrument fertigt mehrere Spektren von räumlich entfernten Objekten simultan an.
MIRI
Das Mid-Infrared Instrument arbeitet im Wellenlängenbereich von 4,9 bis 28,8 Mikrometer. Damit ist es das einzige Instrument auf dem James-Webb-Weltraumteleskop, welches im mittleren Infrarotbereich misst. Es besteht im Wesentlichen aus einer Kamera und einem Spektrografen.
Die Kamera kann mittels 9 verschiedenen Breitband-Filtern Aufnahmen im Bereich von 5,6 bis 25,5 Mikrometer anfertigen.
Der Spektrograph kann in zwei verschiedenen Modi betrieben werden:
1. niedrige spektrale Auflösung im Bereich von 5 bis 12 Mikrometer
2. mittlere spektrale Auflösung im Bereich von 4,9 bis 2,9 Mikrometer
Zudem verfügt MIRI auch über 4 Coronagraphen.
Für optimale Messungen muss MIRI auf eine Temperatur unterhalb von 7 Kelvin über dem absoluten Nullpunkt ( T0= -273, Grad Celsius = 0 Kelvin) abgekühlt werden. Dies erfolgt (zusätzlich zu dem Sonnenschild des JWST) über ein zweistufiges aktives Kühlsystem, welches mit Helium als Kühlmittel funktioniert.
FGS/NIRISS
Wie NIRCam und NIRSpec ist auch der Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph ein Instrument, das im nahen Infrarotbereich von 600 Nanometer bis 5 Mikrometer misst. Es verfügt aber über andere Eigenschaften, was zusätzliche wissenschaftliche Beobachtungen und Studien ermöglicht.
So ist NIRISS ein Spektrograph, der ohne Spalt funktioniert: Die spektrale Aufspaltung des Lichts erfolgt hier über ein Gitterprisma. Das Instrument kann mit niedriger und mittlerer Auflösung betrieben werden. Es kann die chemische Zusammensetzung und auch die Temperatur und Masse von verschiedenen Objekten bestimmen. NIRISS soll insbesondere zur Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten eingesetzt werden.
Zum FGS/NIRISS gehört ebenfalls das Fine Guidance System (FGS). Hiermit können die Instrumente des JWST sehr genau ausgerichtet werden, was wiederum die Qualität der Messungen erhöht.
QUELLEN
https://de.wikipedia.org/wiki/James-Webb-Weltraumteleskop
https://www.nasa.gov/content/goddard/hubble-vs-webb-on-the-shoulders-of-a-giant