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James Webb Space Telescope: Das erste Jahr des Hubble-Nachfolgers

Das James Webb Space Telescope tritt die Nachfolge des Weltraumteleskops Hubble an. Der Spektralbereich verschiebt sich dabei zu längeren Wellenlängen ins Infrarote. Das JWST soll im kommenden Herbst, am 31. Oktober 2021, starten. Nun wurden aus mehr als 1000 wissenschaftlichen Vorschlägen die Beobachtungen des ersten Jahres ausgewählt.
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Das James Webb Space Telescope (JWST), das Vorzeigeprojekt der NASA, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der kanadischen Weltraumbehörde, liegt einige Jahre hinter dem Zeitplan und Milliarden von US-Dollar über dem Budget und ist daher oft Zielscheibe von Witzen und vernichtender Kritik gewesen. Doch viele würden argumentieren, dass diese Verzögerungen und Budgetsorgen lediglich ein Ausdruck des beispiellosen Umfangs und der hohen Ambitionen sind, die mit diesem Projekt verbunden sind. Wenn es hoffentlich am 31. Oktober 2021 startet, wird es das mit Abstand größte und anspruchsvollste Observatorium sein, das jemals ins All geschickt wurde.

Das JWST soll unser Verständnis des Universums revolutionieren, und zwar von seinem hoch gelegenen Standort aus, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt – jenseits der Umlaufbahn des Mondes. Aber was wird das Teleskop tatsächlich leisten, um die jahrzehntelangen Bemühungen und Ausgaben für seine Fertigstellung zu rechtfertigen?

Beobachten ab Frühjahr 2022

Darüber gibt es nun mehr Klarheit. Denn am 30. März 2021 veröffentlichte das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore (USA) die Vorschläge, welche im Rahmen des General-Observer-Programms (englisch: GO program) für das erste Betriebsjahr von JWST, den so genannten ersten Zyklus, ausgewählt wurden. Sie stellen den Großteil der Beobachtungen dar, die das Weltraumteleskop während des ersten Zyklus durchführen wird. Darunter findet sich alles von der Suche nach Atmosphären auf nahen felsigen Exoplaneten bis hin zur Erforschung der frühesten Galaxien des Universums. Die Projekte könnten im Frühjahr 2022 beginnen, nachdem der riesige 6,5-Meter-Segmentspiegel und der mehrschichtige Sonnenschutzschild des Teleskops nach dem Start unter großen Anstrengungen entfaltet und die Instrumente in einer sechsmonatigen Testphase in Betrieb genommen wurden.

Sobald diese Vorbereitungsarbeiten abgeschlossen sind, können die Beobachtungen des ersten Zyklus richtig starten. Ein Teil der JWST-Eröffnungsstudien – etwa 460 Stunden Beobachtungszeit – wird den Early-Release-Science-Programmen (ERS) gewidmet, um die Instrumente des Teleskops auf Herz und Nieren zu prüfen. Fast 4000 Stunden werden für das Programm Guaranteed Time Observations (GTO) aufgewendet, die an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vergeben werden, welche bei der Entwicklung der JWST-Hardware und -Software mitgeholfen haben. Der Großteil der Beobachtungszeit im ersten Jahr – etwa 6000 Stunden – entfällt jedoch auf GO-Programme, die von Wissenschaftlern aus aller Welt vorgeschlagen wurden, um die einzigartigen Fähigkeiten des Teleskops zu nutzen.

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Beeindruckende Dimensionen | Das James-Webb-Weltraumteleskop hat enorme Abmessungen. Der 6,5-Meter-Spiegel besteht aus 18 hexagonalen Elementen. Damit ist die Fläche rund siebenmal so groß wie beim Vorgänger, dem berühmten Weltraumteleskop Hubble.

»Das ist eine wirklich große Sache«, verkündet Kenneth Sembach, Direktor des STScI, welches das JWST wie den Vorgänger des Projekts, das Weltraumteleskop Hubble (englisch: Hubble Space Telescope, HST), betreiben wird. »Die Chance, unter den ersten akzeptierten Vorschlägen für ein brandneues Observatorium zu sein, welches das Potenzial hat, die Astronomie wirklich zu revolutionieren, ist etwas, auf das die Gemeinschaft schon lange gewartet hat. Dies sind Wegbereiter, die Art von wissenschaftlichen Vorschlägen, die dem Observatorium den Weg in die Zukunft weisen werden.«

Ein Teleskop für alle

Das gesamte Zeitkontingent summiert sich absichtlich auf mehr als die Anzahl der Stunden in einem Jahr, um sicherzustellen, dass das Teleskop überbelegt und nie zum Nichtstun verdammt ist. Ein Mangel an Programmen, der zu einem untätigen Observatorium führte, war ein Fehler, der beim frühen Hubble-Betrieb in den 1990er Jahren auftrat, erinnert sich David Adler, Leiter der Long Range Planning Group des STScI. Die Zeit von JWST wird sorgfältig choreografiert, so dass es Beobachtungen in verschiedenen Programmen durchführen kann, während es auf bestimmte Regionen des Himmels gerichtet ist. Diese Anordnung stellt sicher, dass das Teleskop nicht ständig seinen Blick hin und her schwenkt, was Treibstoff verschwendet und das Risiko birgt, eine Dynamik aufzubauen, die das Teleskop »unnötig belastet«, so Adler.

Die Programme reichen von revolutionärer Wissenschaft bis hin zu zukunftsweisenden Beobachtungen. Sie wurden von einem Gremium von Forschenden in einem doppelblinden Auswahlprozess festgelegt, der die Offenlegung von Informationen, wie zum Beispiel das Geschlecht der Antragstellenden, verhinderte, die den Entscheidungsprozess in unangemessener Weise hätten beeinflussen können. Von den rund 1200 eingegangenen Vorschlägen wählten die Gremien 266 von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus 41 Ländern aus, wobei ein Drittel von ihnen von Frauen geleitet wird. Etwa ein Drittel stammte aus ESA-Mitgliedsstaaten – Europa, als einer der Hauptpartner von JWST, wurde mindestens 15 Prozent der Beobachtungszeit des Teleskops garantiert, erhielt aber letztendlich 30 Prozent –, und zwei Prozent sind Kanada zuzuordnen. Die meisten Vorschläge kamen jedoch von US-amerikanischen Teams.

Um den wissenschaftlichen Ertrag zu maximieren, wird die gesamte Beobachtungszeit innerhalb der General-Observer-Programme des ersten Zyklus auf verschiedene Unterkategorien aufgeteilt: 32 Prozent für Galaxien, 23 Prozent für Exoplaneten, 12 Prozent für Stellarphysik und so weiter bis hin zu 6 Prozent, die unserem eigenen Sonnensystem gewidmet sind. Innerhalb dieser Kategorien gibt es kleine Programme (25 Stunden oder weniger Beobachtungszeit), mittlere Programme (mehr als 25 bis 75 Stunden) und große Programme (mehr als 75 Stunden). Einige der letzteren werden auch als »Schatzprogramme« (englisch: treasury programs) bezeichnet, von denen man erwartet, dass sie umfangreiche Datensätze liefern, welche die Grundlage für spätere Studien mehrerer Generationen von Astronominnen und Astronomen bilden werden.

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Sonnenschirm des JWST | Mit 22 Meter Länge ist der Sonnenschirm des JWST so groß wie ein Tennisplatz. Fünf Lagen aus reißfester Kapton-Folie haben die Aufgabe, störende Wärmestrahlung abzuschwächen, damit das Weltraumteleskop ungestört die Beobachtungsziele ins Visier nehmen kann. Bevor sich dieser Schutzschild im Weltraum zu dieser Größe entfalten kann, muss er auf ein Minimum zusammengefaltet werden, um in der Rakete Platz zu finden.

Tiefer und weiter Blick ins Universum

Über alle General-Observer-Programme hinweg ging die größte Auszeichnung an Jeyhan Kartaltepe vom Rochester Institute of Technology und Caitlin Casey von der University of Texas in Austin: Sie erhalten 208,6 Stunden für ihren COSMOS-Webb-Vorschlag. Kartaltepe, Casey und ihre Teams beabsichtigen, Tausende der frühesten Galaxien im Universum zu untersuchen, die alle innerhalb von einer Milliarde Jahren nach dem Urknall entstanden sind. Diese Galaxien sind so lichtschwach, dass sie von den Teleskopen der Menschheit, abgesehen von einer Hand voll Beobachtungen durch Hubble, bis jetzt nicht untersucht werden konnten. »Es ist wirklich unvergleichlich«, freut sich Kartaltepe. »Hubble hat sich zwar bemüht, aber es ist durch seine Größe und Empfindlichkeit wirklich begrenzt. Webb wird da weiter gehen und viel schwächere Dinge entdecken.«

Dies könnte uns helfen, eine wesentliche Ära in der Geschichte des Universums zu verstehen: die Reionisationsepoche. In diesem Zeitraum, der sich 400 000 bis zu etwa einer Milliarde Jahre nach dem Urknall erstreckt, entstanden die ersten Sterne und Galaxien (siehe »Die ersten Sterne«). »Wir glauben, dass die Reionisation nicht überall zur gleichen Zeit stattfand«, mutmaßt Kartaltepe. »Es geschah in Taschen oder Blasen. Diese Blasen sind mit der anfänglichen großräumigen Struktur des Universums verbunden. Wir hoffen, dass wir diese Struktur kartieren können.«

Weiterhin erhielten Natasha Batalha vom Ames Research Center der NASA und Johanna Teske von der Carnegie Institution for Science die drittgrößte Zuweisung an Beobachtungszeit und damit das größte Programm für Studien an Exoplaneten. Sie schlagen vor, die Atmosphären von einem Dutzend Exoplaneten auf eine noch nie dagewesene Weise zu untersuchen (siehe »Atmosphären von Exoplaneten«). In 141,7 Stunden Beobachtungszeit wird das Projekt den riesigen Spiegel des JWST nutzen, um diese Welten beim Transit vor ihren Wirtssternen zu beobachten. Dabei wird das Sternenlicht beim Vorbeiziehen der Exoplaneten geblockt, so dass Forschende die grundlegende Zusammensetzung und Struktur der vorhandenen Atmosphären herausarbeiten können.

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Die ersten Sterne | Einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden die ersten Sterne und Galaxien im Universum. Ihre Strahlung ionisierte die neutralen Atome – vor allem Wasserstoff und Helium –, die fein verteilt vorlagen. Das JWST soll mit Beobachtungen in diese frühe Phase kosmischer Entwicklung vordringen und Objekte abbilden, die niemand zuvor gesehen hat.

Die Welten, die Batalha, Teske und ihre Teams beobachten werden, sind zwischen ein- und dreimal so groß wie die Erde. Man nimmt an, dass es sich dabei um faszinierende Supererden und Subneptune handelt – eine Klasse von Planeten, deren Verständnis durch das JWST verändert werden könnte. »Um an einen Punkt zu gelangen, an dem wir nach Biosignaturen in echten, potenziell erdähnlichen, bewohnbaren Planeten suchen, müssen wir wirklich die ganze Vielfalt der Planeten verstehen, die bisher entdeckt wurden«, erklärt Batalha. »Zu dieser Vielfalt gehören auch diese seltsamen Supererden und Subneptune, die sich als einer der häufigsten Planetentypen in unserer Galaxis herausgestellt haben. Wir haben wirklich keine Ahnung, was sie sind. Es ist unglaublich wichtig, diese Planeten mit dem JWST zu studieren.«

Ein weiteres beliebtes Beobachtungsziel ist TRAPPIST-1, ein System, in dem sieben Exoplaneten einen Roten Zwerg umkreisen. TRAPPIST-1 ist nur 40 Lichtjahre von der Erde entfernt. Man hält einige der Welten für potenziell bewohnbar. Um dieses Minisonnensystem besser zu verstehen, werden sich zwei der GTO-Programme von JWST und drei der GO-Programme des Teleskops auf dieses System konzentrieren. Laura Kreidberg, Direktorin am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, ist Leiterin eines dieser GO-Programme. Das Projekt wird das James-Webb-Teleskop nutzen, um die Temperatur der zweitinnersten Welt des Systems, TRAPPIST-1 c, zu bestimmen und in fast 18 Stunden Beobachtungszeit nach einer Atmosphäre auf diesem Planeten zu fahnden.

Obwohl man annimmt, dass der Exoplanet TRAPPIST-1 c selbst zu heiß ist, um Leben zu beherbergen, würde das Vorhandensein einer Atmosphäre darauf hindeuten, dass auch kühlere und möglicherweise bewohnbarere Welten im System Atmosphären haben könnten. Und im Moment kann nur das JWST diese Daten liefern. »Wir müssen weit draußen im Infraroten beobachten«, sagt Kreidberg. »Die Erde ist zu heiß. Man muss ein Teleskop im Weltraum haben, das kalt ist und eine ausreichende Wellenlängenabdeckung aufweist. Das JWST ist das einzige Teleskop, das jemals gebaut wurde, das das kann.«

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Atmosphären von Exoplaneten | Inzwischen sind rund 4700 Planeten außerhalb des Sonnensystems bekannt. In einigen Fällen ist es gelungen, eine Gashülle dieser Himmelskörper nachzuweisen und sogar auf ihre Bestandteile hin zu analysieren. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler versprechen sich davon, mit Hilfe des JWST die fremden Welten – hier künstlerisch dargestellt – noch genauer zu untersuchen. Werden sie dabei eindeutige Hinweise auf außerirdisches Leben finden?

Forschung in der Nähe

Auch bezogen auf unser Sonnensystem sollen die Fähigkeiten des JWST umwälzend sein. Noemi Pinilla-Alonso von der University of Central Florida plant, mit dem Teleskop 59 transneptunische Objekte (TNOs) – eisige Körper jenseits der Neptunbahn – in einer beispiellosen Beobachtungskampagne von fast 100 Stunden Dauer zu untersuchen. JWST wird in der Lage sein, auf den Körpern vorhandene Materialien wie Wasser oder komplexe organische Stoffe zu erkennen, etwas, das bisher nur für 40 der hellsten TNOs möglich war. »Das breite Wissen, das wir mit JWST über das Sonnensystem haben werden, ist kein Vergleich zu dem, was im Moment vorliegt«, meint Pinilla-Alonso.

Es gibt auch einige risikoreiche Programme, bei denen das JWST kurzfristig Ereignissen nachgehen kann, so genannten Targets of Opportunity (ToOs). Martin Cordiner vom Goddard Space Flight Center der NASA leitet ein solches Projekt. Er hofft, ein interstellares Objekt zu beobachten, das unser Sonnensystem durchquert, wie 'Oumuamua im Jahr 2017 oder der Komet Borisov im Jahr 2019. »Wir drücken die Daumen, dass wir eines erwischen«, hofft er. Und wenn es bis auf wenige Astronomische Einheiten an die Sonne herankommt, sollte JWST in der Lage sein, es zu untersuchen – mit Cordiner als Leiter der Kampagne. »Das Ziel ist es«, sagt er, »die chemische Zusammensetzung zu bestimmen«, etwa ob der Körper Wasser und Kohlendioxid enthält. Das würde uns einen direkten Blick auf das Material eines anderen Planetensystems eröffnen.

Solche Programme sind nur eine kleine Auswahl aus dem Füllhorn der Wissenschaft, welches das JWST ausschütten wird. Vor allem aber sind sie ein Indikator für die revolutionären Ergebnisse, welche Forschende und die Öffentlichkeit von diesem Teleskop erwarten dürfen. Im Moment muss die Welt jedoch das bange Warten auf den erfolgreichen Start des JWST ertragen und hoffen, dass jedes Teil der Maschinerie wie erwartet funktioniert, damit sich dieses fabelhafte Fenster zum Universum öffnen kann. »Es wird einige Tage des Schreckens geben, wenn sich all diese Mechanismen entfalten«, sagt Günther Hasinger, der wissenschaftliche Direktor der ESA. Und obwohl viele darauf erpicht sind, den Stein so schnell wie möglich ins Rollen zu bringen, wird es keine Eile geben – Witze auf Kosten von JWST hin oder her. »Seien Sie geduldig«, rät Hasinger, »und drücken Sie die Daumen, dass wir diese wunderbare Maschine in den Orbit bekommen.«

Drei Personen hinter dem JWST

James Webb: Als US-Präsident John F. Kennedy im Jahr 1961 einen neuen Leiter für die drei Jahre zuvor gegründete NASA suchte, fiel seine Wahl auf den 55-jährigen James Edwin Webb, der bereits in anderen Regierungsämtern tätig gewesen war. Webb zögerte, denn als Rechtsanwalt und Manager kannte er zwar den politischen Betrieb in Washington bestens, aber er hatte zunächst keine Ahnung von Raketen, Technik und Weltraumwissenschaften. Dennoch war Kennedys Wahl goldrichtig: Webb führte die NASA zum überaus erfolgreichen Apollo-Mondprogramm, das zu seinen Hochzeiten 35 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter bei NASA und hunderttausende in der wachsenden Luft- und Raumfahrtindustrie beschäftigte. Gleichzeitig setzte er ein umfangreiches Programm zur Erforschung des Weltraums und des Universums mit über 70 wissenschaftlichen Missionen durch. Er förderte die Beteiligung der Universitäten an den neuen Forschungsgebieten. In diese Zeit fällt auch der Beginn der Entwicklung eines Large Space Telescope (später nach Hubble benannt). Webb gab die Leitung der NASA im Jahr 1968 auf, kurz vor dem Höhepunkt des Apollo-Programms. Er starb 1992 und wurde auf dem Arlington-Nationalfriedhof beigesetzt. Zehn Jahre nach seinem Ableben benannte die NASA das Next Generation Space Telescope nach ihm.

John Mather vom Goddard Space Flight Center der NASA ist Senior-Projektwissenschaftler des JWST. Er vertritt die Interessen der Wissenschaft im Projektmanagement. In einem Interview wurde er nach seinen Erwartungen an das Observatorium gefragt: »Das JWST wird atemberaubende Entdeckungen auf vielen Gebieten machen. Wir wissen nicht, wie und wann Galaxien entstanden sind und wie die extrem massereichen Schwarzen Löcher in ihren Zentren entstanden. Wir wissen nicht, ob die Schwarzen Löcher die Entstehung der Galaxien verursachten, oder umgekehrt. Wir können nicht in die Staubwolken hineinsehen, in denen nahebei Sterne und Planeten entstehen, aber JWST kann es. Wir wissen nicht, auf wie vielen Planeten Leben möglich ist, aber JWST wird uns zeigen, ob einige erdähnliche Planeten genügend Wasser für Ozeane haben.« John Mather erhielt gemeinsam mit George Smoot den Nobelpreis für Physik des Jahres 2006 für die Messung der 2,7-Kelvin-Mikrowellenstrahlung des Urknalls mit dem Satelliten COBE.

Hans-Walter Rix ist Direktor am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und Mitglied des NIRSPEC-Instrument-Science-Teams der ESA. Ihn interessiert: »Was sind die Galaxien, die das Universum erstmals erleuchtet haben? Wie floss der Rohstoff für die Sternentstehung, kaltes Wasserstoffgas, längs der Filamente des kosmischen Materienetzwerks in die jüngsten Galaxien? Dazu werden wir die Filamente und ihre Knoten in der hoch rotverschobenen H-Alpha-Linie des Gases kartieren, das durch junge, heiße Sterne angeregt wurde. Aber spannend wird auch: Können wir Wasser und Methan in Supererden nachweisen?«

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