Wie das James-Webb-Teleskop die Astronomie revolutionieren wird

    Video1. September 2018, 13:00
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    2021 soll das bisher leistungsfähigste Weltraumteleskop starten. Forscher hoffen auf einen Datenschatz zu uralten Sternen und Exoplaneten

    Seit bald drei Jahrzehnten versorgt das Hubble-Weltraumteleskop Astronomen nun schon mit wertvollen Informationen, doch der Mission ist ein nicht allzu fernes Ende beschieden. Für einen würdigen Nachfolger ist längst gesorgt. Voraussichtlich 2021 soll das James-Webb-Weltraumteleskop ins All starten – und Hubble in jeder Hinsicht übertreffen. Das etwa sechs Tonnen und 8,5 Milliarden Euro schwere Großprojekt soll das bisher leistungsfähigste Weltraumteleskop überhaupt sein.

    illustration: northrop grumman/nasa
    Künstlerische Darstellung des James-Webb-Weltraumteleskops im All.

    Vor allem in zwei Bereichen verspricht Webb einen revolutionären neuen Blick ins All: Es soll das bisher beste Instrument zur Suche nach dem Licht der ersten Sterne und Galaxien nach dem Urknall sowie für die Charakterisierung von Planeten außerhalb des Sonnensystems sein. "Konzipiert und gebaut wurde das Teleskop eigentlich nur für die erste dieser Aufgaben", sagte Eric Smith von der US-Weltraumbehörde Nasa vergangene Woche bei einem Vortrag im Naturhistorischen Museum (NHM) Wien.

    Suche nach dem ersten Licht

    "In den 1990er-Jahren wussten wir noch nicht viel über Exoplaneten, aber glücklicherweise hat Webb dennoch Instrumente an Bord, die sich hervorragend für ihre Untersuchung eignen." Smith ist wissenschaftlicher Leiter des Weltraumteleskops, das ein Gemeinschaftsprojekt der Nasa, der Europäischen Weltraumorganisation (Esa) und der kanadischen Weltraumagentur CSA ist. Er hält sich derzeit anlässlich der Generalversammlung der Internationalen Astronomischen Union (IAU) in Wien auf, die unter anderem von der Universität Wien organisiert und vom österreichischen Wissenschaftsministerium unterstützt wird.

    illustration: northrop grumman/nasa
    Das Weltraumteleskop soll nach dem Licht der ersten Sterne fahnden und die Atmosphären von Exoplaneten in den Blick nehmen.

    Um auf die Jagd nach dem ersten Licht aus der Frühzeit des Universums gehen zu können und mehr über die Entstehung von Sternen und die Entwicklung von Galaxien herauszufinden, waren die grundsätzlichen Anforderungen an Webb von Anfang an klar: Zum einen musste das Teleskop über einen größeren Spiegel verfügen als Hubble. Zum anderen sollte es die bestmögliche Suche im Infrarotbereich erlauben.

    Denn das Licht der alten Galaxien wird durch die Ausdehnung des Universums vom sichtbaren in den infraroten Bereich verschoben. Außerdem lässt sich so die Entstehung neuer Objekte besser beobachten. Smith: "Das sichtbare Licht wird im Weltall von Staubwolken blockiert. Infrarotteleskope können aber durch diese Wolken hindurchblicken, hinter denen sich die Geburtsstätten von Sternen und Planetensystemen verbergen."

    Fremde Welten im Visier

    Seit das Teleskop-Design feststeht, ist die Forschung zu Planeten außerhalb des Sonnensystems geradezu explodiert. Mehrere Tausend Exoplaneten sind mittlerweile bekannt, im Wochentakt kommen neue Entdeckungen dazu. Darunter befinden sich auch Welten, die möglicherweise lebensfreundliche Bedingungen aufweisen könnten – eindeutige Aussagen lassen sich darüber aber noch nicht treffen.

    james webb space telescope (jwst)
    Animation der Entfaltung des Weltraumteleskops im All.

    Genau das wollen Astronomen mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops ändern: Es soll nicht nur neue Exoplaneten finden, sondern vor allem Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphären solcher Planeten liefern.

    Zieht ein Planet aus der Perspektive des Teleskops vor seinem Stern vorbei, wird die Gashülle von Sternenlicht durchschienen – und gibt bei spektroskopischer Beobachtung Details über ihre Zusammensetzung preis. "Man kann mit Webb zwar nicht außerirdisches Leben nachweisen, aber man kann herausfinden, ob ein Planet kompatibel mit Leben ist", sagte Smith. Das James-Webb-Weltraumteleskop soll aber auch unser Sonnensystem in den Blick nehmen: Es könnte etwa dazu dienen, Wetterphänomene auf Mars, Jupiter und Saturn zu ergründen.

    Minus 266 Grad Celsius Betriebstemperatur

    Um all das möglich zu machen, waren viele neue Entwicklungen nötig, berichtete Smith. Die auffällige Struktur des Hauptspiegels mit 6,5 Metern Durchmesser ergibt sich aus einem rein praktischen Problem: Keine Rakete könnte einen solchen Spiegel im Ganzen transportieren. Daher entschied man sich für 18 sechseckige Segmente, die sich erst im All zu einer Spiegeleinheit entfalten. Um auch im Infrarotbereich gut zu reflektieren, wurden die Segmente mit einer hauchdünnen Schicht aus Gold überzogen.

    foto: nasa
    Der Hauptspiegel des James-Webb-Space-Telescope in voller Pracht im Reinraum.

    Weiters wurden hunderttausende Mikroblenden eingebaut: Diese etwa 100 mal 200 Mikrometer kleinen "Türchen" lassen sich nach Bedarf präzise öffnen und schließen, um nur das Licht eines bestimmten Objekts einfangen zu können und alle anderen Lichtquellen auszublenden. Ein sogenannter "Cryocooler" wiederum sorgt für die richtige Betriebstemperatur: Wärme ist der größte Feind von Infrarotbeobachtungen, das zentrale Infrarot-Instrument des Teleskops muss auf unter minus 266 Grad Celsius gekühlt werden. Ein fünflagiger Sonnenschild, der sich ebenfalls erst im All entfaltet, soll das Teleskop vor Wärmestrahlung von Sonne und Erde abschirmen.

    Ferne Umlaufbahn

    Anders als Hubble, das nur wenige Hundert Kilometer über der Erde kreist, wird das James-Webb-Weltraumteleskop weiter ins All geschickt: Sein Zielort ist eine Umlaufbahn am zweiten Lagrange-Punkt (L2) des Erde-Sonne-Systems etwa 1,5 Millionen Kilometer von uns entfernt. Die Infrarot-Störquellen Sonne, Mond und Erde liegen dann aus der Perspektive des Teleskops in der gleichen Richtung und können effektiv abgeschirmt werden. "Das ist auch der Grund, warum Webb so anders aussieht als die meisten Tele skope: Wir brauchen in dieser Entfernung keine Röhre, sondern können uns mit einem Schirm schützen", sagte Smith.

    foto: nasa
    Der Sonnenschild soll das Teleskop vor Wärmestrahlung von Sonne und Erde abschirmen.

    Astronomen rund um den Globus warten schon mit Hochspannung auf den Beginn der Mission, doch Geduld ist weiter angesagt: Immer wieder musste der ursprünglich schon für 2014 angesetzte Start verschoben werden, zuletzt wurden im vergangenen Juni bei Tests Probleme gefunden. Nach Angaben der Nasa ist der Start nun für März 2021 geplant. Dann soll das James-Webb-Weltraumteleskop mit einer Ariane-5-Rakete vom Weltraumbahnhof Korou aus seine Reise antreten. (David Rennert, 1.9.2018)


    Wissen
    James Edwin Webb war zwar kein Astronom, sondern ein Regierungsbeamter. Doch als Leiter der US-Weltraumbehörde Nasa weitete er in den 1960er-Jahren die wissenschaftlichen Aufgaben der Nasa aus. Als Anerkennung dafür trägt das James-Webb-Weltraumteleskop seinen Namen. Das Gemeinschaftsprojekt von Nasa, Esa und CSA soll aus etwa 1,5 Millionen Kilometern Entfernung zur Erde schwerpunktmäßig Infrarotastronomie betreiben.

    Es ist mit einem Hauptspiegel von 6,5 Metern Durchmesser ausgestattet, der aus 18 hexagonalen Segmenten besteht. Die Spiegeloberfläche ist aus einer etwa 1000 Atome "dicken" Goldschicht überzogen, um im Infrarotbereich gut zu reflektieren. Weiters befinden sich mehrere Instrumente zum Aufspüren von Licht und Infrarotstrahlung, Spektrografen und Kameras an Bord. Um das Weltraumteleskop gegen Störungsquellen abzuschirmen und zu kühlen, besitzt es einen umfangreichen Sonnenschild und ein integriertes Kühlelement.

    Der Starttermin für das James-Webb-Weltraumteleskop musste mehrfach verschoben werden, nun wird März 2021 angepeilt. (dare)

    Link
    Nasa: James Webb Space Telescope

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