James Webb Space Telescope: Eine malerische Sternentstehungsregion
Das James-Webb-Teleskop hat die Nahinfrarotkamera NIRCam auf die Sternentstehungsregion im Orion-Nebel gerichtet. Die wichtigsten Bilder und Entwicklungen in unserem Blog.
©NASA, ESA, CSA / Science leads and image processing: M. McCaughrean, S. Pearson / Orion Nebula in NIRCam short-wavelength channel / CC BY-SA 3.0 IGO CC BY-SA IGO (Ausschnitt)
Finger aus Staub und junge Sterne im Bereich des Orion-Nebels. Diese Sternentstehungsregion ist nur etwa eine Million Jahre alt.
- Seit dem 25. Dezember 2021 ist das James Webb Space Telescope – kurz JWST – im All unterwegs.
- Am 12. Juli 2022 präsentierten die Beteiligten die ersten Bilder des Weltraumteleskops der Superlative. Darunter den tiefsten Blick ins Universum, der bislang aufgenommen wurde.
- Mit Hilfe der Bilder des JWST wollen Astrophysikerinnen und Astrophysiker erstmals Einblicke in das dunkle Zeitalter des Universums bekommen, bewohnbare Exoplaneten studieren und bisher unbekannte Erscheinungen im Kosmos entdecken.
- Die amerikanische Weltraumbehörde NASA, die Europäische Weltraumorganisation ESA und die kanadische Weltraumorganisation CSA arbeiten gemeinsam an der Mission.
- In diesem Slowblog informieren wir ab sofort über die Technik und berichten über die wesentlichen Ereignisse und Erkenntnisse der Mission.
Highlights
12.07.2023
10:28 Uhr
Jan Dönges
Ein Jahr »James Webb«: Das ist unsere Auswahl der zehn schönsten Bilder des Weltraumteleskops
Diese Aufnahme der NIRCam an Bord des JWST zeigt den Orionnebel und das Trapez, einen offenen Sternenhaufen aus extrem jungen Sternen. Das ganze Gebiet ist eine nur eine Million Jahre alte Sternentstehungsregion, in der sich bis heute aus Staub und Gas neue Sterne bilden. Die größten der neu entstandenen Sterne in diesem etwa 4 mal 2,75 Lichtjahre messenden Bildausschnitt haben etwa 40 Sonnenmassen, während sich am unteren Ende der Skala Mini-Sterne mit nur einem Zehntel Sonnenmasse tummeln. Hinzu kommen unzählige braune Zwerge – Objekte, die zu klein sind, als dass in ihnen Kernfusion einsetzen könnte.
Die etwa 1300 Lichtjahre von der Erde entfernte Sternentstehungsregion um den Orionnebel. NASA, ESA, CSA / Science leads and image processing: M. McCaughrean, S. Pearson, CC BY-SA 3.0
Mit dem James Webb Space Telescope (JWST) gelang es, das extrem weit entfernte Objekt JWST-ER1 zu beobachten. Es ist ein so genannter Einstein-Ring, der durch die Ablenkung der infraroten Strahlung in einem starken Gravitationsfeld entsteht. Die Galaxie im Zentrum des Bildes wirkt als Gravitationslinse. Sie befindet sich bei einer kosmologischen Rotverschiebung von z = 1,94. Die Strahlung der Galaxie war 10,3 Milliarden Jahre zu uns unterwegs. Damals hatte unser Universum erst 25 Prozent seines heutigen Alters von 13,87 Milliarden Jahren erreicht. Sie ist damit derzeit die älteste bekannte Galaxie, die einen Einstein-Ring erzeugt. Der Ring erstreckt sich am Himmel über 1,54 Bogensekunden.
Einen praktisch perfekten Einstein-Ring nahm das James Webb Space Telescope in fünf unterschiedlichen Wellenlängen im Infraroten auf. Die als Linse fungierende Galaxie im Zentrum hat eine kosmologische Rotverschiebung von z = 1,94, die zu einem Ring verzerrte kompakte Hintergrundgalaxie weist z = 2,98 auf. Damit ist dieses Himmelsschauspiel der älteste derzeit bekannte Einstein-Ring. Van Dokkum, P. et al.: A massive compact quiescent galaxy at z=2 with a complete Einstein ring in JWST imaging. arxiv:2309.07969, 2023, fig. 1a (doi.org/10.48550/arXiv.2309.07969)
Die von der Gravitationslinse zu einem Ring verzerrte Hintergrundgalaxie ist noch ein gutes Stück älter: Ihre Rotverschiebung beträgt z = 2,98, so dass ihre Strahlung 11,5 Milliarden Jahre unterwegs war. Zum Zeitpunkt, als sich ihr Licht auf die Reise zu uns machte, war das Universum erst 2,3 Milliarden Jahre alt. Aufgespürt wurde dieser Einstein-Ring von einer Gruppe um den Astrophysiker Pieter van Dokkum an der Yale University in New Haven, Connecticut, die das Ergebnis vorab auf dem Preprintserver »Arxiv« veröffentlicht hat. Die Publikation erscheint dann im Fachjournal »Nature Astronomy«.
Einstein-Ringe sind nach dem berühmten deutschen Physiker Albert Einstein (1879–1955) benannt, der diese Phänomene vor gut 100 Jahren vorhersagte. Der Ring entsteht nur dann, wenn die Linse und das gelinste Objekt annähernd perfekt in einer Reihe hintereinanderstehen und beide nahezu punktförmig sind. Ist das nicht der Fall, so entstehen verzerrte und unvollständige Bögen oder mehrere Bilder des gelinsten Hintergrundobjekts. Auch bei JWST-ER1 zeigen sich leichte Abweichungen von einem gleichförmigen Ring, es sind die rötlichen Flecken »auf 3 Uhr« und »auf 9 Uhr«. Vermutlich handelt es sich bei den roten Knoten um den hellen Zentralbereich (englisch: bulge) der gelinsten Galaxie.
Das JWST nahm dieses Bild in fünf unterschiedlichen Wellenlängen im Infraroten mit der Nahinfrarotkamera NIRCam auf, wobei den kürzesten Wellenlängen Blau und Grün zugewiesen wurden, den mittleren Wellenlängen Gelb und Orange und den längsten Wellenlängen Rot. Die Daten wurden dann zu einem Falschfarbenbild zusammengesetzt.
Ihrem Alter angemessen toben junge Sterne, indem sie superschnelle Gasstrahlen von ihren Polen ausstoßen. Dabei treffen diese Jets auf Staub und Gas in der Umgebung und erzeugen Stoßwellen, die sich als leuchtende Gasnebel zeigen. Einen solchen Protostern hat das James-Webb-Weltraumteleskop in unserer kosmischen Nachbarschaft abgelichtet, zirka 1000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Perseus. Jener Stern ist nicht nur vergleichsweise nah gelegen, sondern auch sehr jung, womöglich nur einige zehntausende Jahre alt. HH 211, wie das Himmelsobjekt in der Fachwelt bezeichnet wird, würde zudem unserer Sonne ähneln, schreibt eine Forschergruppe um Tom Ray vom Dublin Institute for Advanced Studies im Fachblatt »Nature« – also dem Entwicklungsstadium der Sonne, als sie selbst noch ein ganz junger Stern war.
Die Abkürzung »HH« steht für Herbig-Haro. Damit werden Protosterne bezeichnet, deren Gasjets neblige Gebilde erzeugen. Die beiden US-Astronomen George H. Herbig und Guillermo Haro haben in den 1940er Jahren als Erste derartige Objekte beschrieben. Bei HH 211 strömt Gas von den Polen mit rasanten rund 100 Kilometer pro Sekunde ab. Im Vergleich zu anderen Herbig-Haro-Objekten sei das allerdings eher langsam, schreiben Ray und sein Team in »Nature«. »Und überraschenderweise gibt es kaum Spuren eines atomaren oder ionisierten Ausstoßes, was darauf hindeutet, dass [die Jets im Kern] fast nur aus Molekülen bestehen«, heißt es in der Studie. Offenbar verhält es sich so auf Grund der geringen Geschwindigkeit, die nicht genug Wucht entwickelt, um Moleküle in kleinere Teile zu zersprengen.
Aus der Form der Jets schließen die Astronomen zudem, dass es sich bei HH 211 vielleicht um einen engen Doppelstern handelt. Er ist auf diesem Bild hinter einer dichten Staubwolke verborgen und daher nicht sichtbar.
Aufnahme des James-Webb-Weltraumteleskops von HH 211 im Sternbild Perseus. ESA / Webb, NASA, CSA, T. Ray (Dublin Institute for Advanced Studies)
Das Bild des James-Webb-Teleskops besteht aus Aufnahmen im Infrarotbereich, die verschiedene Wellenlängen abbilden. Diese wurden nachträglich koloriert. Jede Farbe entspricht bestimmten Atom- und Molekülarten, darunter Kohlenmonoxid, molekularer Wasserstoff, Methan und Siliziummonoxid. Die Stoffe emittieren Infrarotlicht, das von den Kameras des Weltraumteleskops eingefangen wird.
Das James-Webb-Teleskop ist nicht bloß angetreten, um hübsche Bilder von fernen Galaxien zu knipsen. Eine weitere, nicht weniger faszinierende Aufgabe des Milliardenprojekts ist es, Hinweise für Leben auf anderen Planeten zu entdecken. Dem ist nun ein Team um Nikku Madhusudhan von der Universität Cambridge möglicherweise ein kleines Stück näher gekommen. Die Astrophysiker haben kohlenstoffhaltige Moleküle, darunter Methan und Kohlendioxid, in der Atmosphäre des Exoplaneten K2-18b nachgewiesen. Zudem gebe es Anzeichen dafür, dass dort Dimethylsulfid (DMS) vorhanden ist, ein Molekül, das zumindest auf der Erde nur von Lebewesen produziert wird. Die Datenauswertung ist als noch nicht begutachteter Preprint verfügbar und zur Veröffentlichung beim Fachmagazin »The Astrophysical Journal Letters« eingereicht und bereits akzeptiert.
K2-18b ist etwa 2,6-mal so groß wie die Erde und besitzt die knapp 9-fache Masse. Der Planet umkreist den kühlen Zwergstern K2-18 in der habitablen Zone und liegt rund 120 Lichtjahre entfernt im Sternbild Löwe. Die neuen Ergebnisse legen nahe, dass es sich bei K2-18b um einen sogenannten Hycean-Exoplaneten handeln könnte. Die Wortschöpfung aus Hydrogen (Englisch für Wasserstoff) und Ocean (Englisch für Ozean) impliziert die Vermutung, dass solche Welten vielversprechende Kandidaten für die Suche nach Leben sind. Da es in unserem Sonnensystem keine Planeten gibt, die von der Größe her zwischen der Erde und dem Neptun liegen, ist dieser Planetentyp bislang nur unzureichend erforscht.
Die internationale Forschungsgruppe untersuchte K2-18b mit Hilfe der so genannten Transitmethode. Dabei wird der Planet nicht direkt beobachtet, sondern nur indirekt durch den Helligkeitsverlauf seines Sterns nachgewiesen. Weil die Planetenatmosphäre währenddessen vom Licht des Muttersterns durchschienen wird, besteht zudem die Möglichkeit spektroskopische Informationen über die Zusammensetzung zu erhalten. Es zeigen sich charakteristische Absorptionslinien im elektromagnetischen Spektrum, die anschließend bestimmten Molekülen zugeordnet werden. Laut einer Pressemitteilung der Europäischen Raumfahrtagentur ESA sprechen die große Menge an Methan und Kohlendioxid sowie der Mangel an Ammoniak dafür, dass K2-18b im Kern ähnlich wie Neptun aus hochverdichtetem Eis besteht. Der Exoplanet soll allerdings von einer dünneren, wasserstoffreichen Atmosphäre umgeben und die Oberfläche von einem Ozean bedeckt sein.
Die Grafik zeigt, wie sich die Atmosphäre des Exoplaneten K2-18b zusammensetzt. NASA, CSA, ESA, J. Olmstead (STScI), N. Madhusudhan (Cambridge University)
Manche Medien titelten bereits, K2-18 b könnte sogar Leben beherbergen. Das zu behaupten, ist allerdings noch deutlich verfrüht. Die Forscher betonen selbst, dass die Hinweise etwa auf DMS »noch nicht besonders zuverlässig« sind und weitere Daten benötigt werden, um die Anwesenheit des Moleküls in der Atmosphäre von K2-18 b zu bestätigen. »Wenn es sich bewahrheitet, wäre das eine große Sache«, sagte Madhusudhan gegenüber dem britischen Nachrichtensender BBC. Es sei daher umso wichtiger, die Analyse sauber und richtig zu machen, wenn man eine so große Behauptung aufstelle. Weitere Daten werden in einem Jahr erwartet.
Immer wieder gelingt es dem James Webb Space Telescope, uns mit seinen Aufnahmen zu bezaubern. Die neueste Aufnahme zeigt die im Jahr 1773 entdeckte Spiralgalaxie Messier 51, deren ausgedehnte Arme uns den Prozess der Sternentstehung bewundern lässt. In Messier 51, der so genannten Whirlpool-Galaxie, kommt es derzeit zu einer ungewöhnlich intensiven Sternentstehung. Ursache ist vermutlich die Wechselwirkung mit einer kleinen Begleitgalaxie. Diese kleine irreguläre Galaxie namens NGC 5195 ist hier aber nicht zu sehen. Die beiden befinden sich im Sternbild Jagdhunde und sind ungefähr 27 Millionen Lichtjahre von unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, entfernt. Wegen der starken Sternentstehung hat die Spiralgalaxie auch einen außergewöhnlich hohen Anteil von jungen und massereichen Sternen, die im Vergleich mit Sternen wie beispielsweise unserer Sonne nur ein kurzes Leben haben werden.
ESA/Webb, NASA & CSA, A. Adamo (Stockholm University) and the FEAST JWST team
Das eindrucksvolle Bild wurde aus Aufnahmen mit der Near-InfraRed Camera (NIRCam) und dem MidInfraRed Instrument (MIRI) am JWST zusammengesetzt. Direkt im Zentrum sehen wir den aktiven galaktischen Kern von Messier 51, in welchem sich höchstwahrscheinlich ein supermassereiches schwarzes Loch befindet. Die dunkelroten Bereiche zeigen die Anordnung der warmen Staubfilamente, die sich innerhalb des galaktischen Mediums bewegen. Das hellere Rot zeigt Licht, das von komplexen Molekülen auf den Staubkörnern stammt. Die aktive Sternentstehung hinterlässt ihre Spuren zudem in den gelben und orangen Bereichen, denn diese markieren das Gas, welches durch die kürzlich geborenen Sterne ionisiert wurde. Zum ersten Mal sehen die Forscherinnen und Forscher, wie Sternhaufen außerhalb unserer lokalen Galaxiengruppe aus ihren Geburtswolken entstehen.
Dieses Bild ist das Ergebnis einer Beobachtungsreihe namens FEAST (englisch: Feedback in Emerging extrAgalactic Star clusTers). Das Ziel von FEAST ist es, mehr über Sternentstehung und ihre Einflüsse auf die nähere Umgebung zu erfahren. Daneben möchte man weitere Regionen im Universum finden, in denen aktiv Sterne geboren werden. Somit erhofft man sich, genauere Modelle der Sternbildung zu entwickeln, die überall in unserem Kosmos gültig sind.
(Tatjana Gobold)
(Tatjana Gobold)
Manche Objekte muss man sich mehr als einmal anschauen, um ihren Geheimnissen auf die Spur zu kommen. Tatsächlich lässt der berühmte Ringnebel, auch bekannt als Messier 57 oder NGC 6720, die Astronominnen und Astronomen einfach nicht los. Zwar hat das James Webb Space Telescope die betreffenden Bilder bereits geschossen, als es im Juli 2022 seine Arbeit aufnahm. Doch nun hat ein Forschungsteam weitere überraschende Details entdeckt. So zeigt die Aufnahme der Nahinfrarot-Kamera NIRCam die komplizierten Einzelheiten der Filamentstruktur des inneren Rings, während das Mittelinfrarot-Instrument MIRI besondere Details in den konzentrischen Strukturen der äußeren Regionen des Ringnebels offenlegt.
Der Nebel ist der Überrest eines Sterns, der vor etwa 20.000 Jahren seine äußere Gashülle abgestoßen hat. Die Gashülle hat derzeit einen scheinbaren Durchmesser von etwa 118 Bogensekunden, was bei einer Entfernung von gut 2300 Lichtjahren einen Durchmesser von rund 1,3 Lichtjahren bedeutet.
Der Nebel ist der Überrest eines Sterns, der vor etwa 20.000 Jahren seine äußere Gashülle abgestoßen hat. Die Gashülle hat derzeit einen scheinbaren Durchmesser von etwa 118 Bogensekunden, was bei einer Entfernung von gut 2300 Lichtjahren einen Durchmesser von rund 1,3 Lichtjahren bedeutet.
Das James Webb Teleskop hat den bekannten Ringnebel in extremer Detailschärfe abgelichtet. Das neue Bild von Webbs Nahinfrarotkamera zeigt faszinierende Feinheiten in der Filamentstruktur des inneren Rings. ESA/Webb, NASA, CSA, M. Barlow (University College London), N. Cox (ACRI-ST), R. Wesson (Cardiff University)
»Früher dachte man, dass es sich bei planetarischen Nebeln um einfache, runde Objekte mit einem einzelnen sterbenden Stern in der Mitte handelt«, sagte Roger Wesson von der Cardiff University laut einer Mitteilung der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA. Viel mehr sei mit einfachen Teleskopen nicht sichtbar gewesen. »Moderne Beobachtungen zeigen jedoch, dass die meisten planetarischen Nebel eine atemberaubende Komplexität aufweisen.« Das werfe die Frage auf, wie ein kugelförmiger Stern solch komplizierte und empfindliche nicht-sphärische Strukturen erzeugen kann.
Als Wesson und sein Team die Bilder zum ersten Mal sahen, seien sie verblüfft gewesen von der Detailfülle, die sie aufweisen. Also begannen sie sich, intensiver damit zu beschäftigen. »Der helle Ring, der dem Nebel seinen Namen gibt, besteht aus etwa 20.000 einzelnen Klumpen aus dichtem molekularem Wasserstoffgas, jeder von ihnen etwa so massiv wie die Erde«, erklärt der Astronom. »Innerhalb des Rings haben wir ein schmales Band aus polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen entdeckt – komplexe kohlenstoffhaltige Moleküle, von denen wir nicht erwartet hatten, dass sie sich im Ringnebel bilden.«
Diese Aufnahme mit Webbs Mittelinfrarot-Instrument zeigt besondere Details in den Strukturen der äußeren Regionen des Ringnebels. Ungefähr zehn konzentrische Kreise befinden sich direkt am Rand des Hauptrings. Möglicherweise entstehen die Bögen durch die Wechselwirkung des Zentralsterns mit einem massearmen Begleiter. ESA/Webb, NASA, CSA, M. Barlow (University College London), N. Cox (ACRI-ST), R. Wesson (Cardiff University)
Doch noch überraschender sei die Auswertung der MIRI-Aufnahmen gewesen. Die hohe spektrale Auflösung des Instruments enthüllte gut zehn regelmäßig, konzentrische Strukturen innerhalb des schwach leuchtenden Halos. »Diese Ringe müssen sich etwa alle 280 Jahre gebildet haben, während der Zentralstern seine äußeren Schichten abwarf«, sagte Wesson. Bei der Entwicklung eines einzelnen Sterns zu einem planetarischen Nebel gebe es bislang keinen bekannten Prozess, der diesen zeitlichen Rhythmus erklärt. »Das deutet darauf hin, dass es in dem System einen Begleitstern geben muss, der etwa so weit vom Zentralstern entfernt ist wie Pluto von unserer Sonne.« Während der sterbende Stern seine Atmosphäre abwarf, habe der Begleitstern möglicherweise den Materiabfluss geformt. Kein anderes Teleskop sei bislang empfindlich genug gewesen, um diesen subtilen Effekt zu entdecken.
Der Ringnebel wurde im Jahr 1779 von den Astronomen Antoine Darquier de Pellepoix und Charles Messier entdeckt und in den Messier-Katalog aufgenommen. Die beiden Astronomen stießen auf den Nebel, als sie versuchten, die Bahn eines Kometen durch das Sternbild Leier zu verfolgen, der sehr nahe am Ringnebel vorbeizog.
Kompositbild des Ringnebels, erstellt mit der NIRCam des James Webb Space Telescopes. Für die Aufnahme wurden Bilder mit drei verschiedenen Filtern übereinandergelegt. Credit: The University of Manchester
Das James Webb Space Telescope (JWST) hat bereits mit vielen schönen Bildern für Furore gesorgt. Seine neuesten Aufnahmen zeigen den berühmten Ringnebel, auch bekannt als Messier 57, so detailliert wie noch nie. Der Nebel befindet sich rund 2600 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Leier und besteht aus den Überresten eines sterbenden Sterns, der seine Hülle aus Gas und Plasma ins All gepustet hat. Wie bei einem Feuerwerk strahlen unterschiedliche chemische Elemente dabei Licht in verschiedenen Farben ab.
»Wir sind Zeugen der letzten Kapitel im Leben eines Sterns; es ist sozusagen eine Vorschau auf die ferne Zukunft der Sonne«, erklärt Mike Barlow vom JWST Ring Nebula Project in einer Pressemitteilung. »Die Beobachtungen des JWST haben ein neues Fenster zum Verständnis dieser beeindruckenden kosmischen Ereignisse geöffnet.«
Die einzelnen Schichten des Ringnebels, die verschiedenste Muster und Formen bilden, geben Forscherinnen und Forschern bis heute Rätsel auf. Die neuen Aufnahmen zeigen aber nicht nur die Hülle des Sterns in ungeahnten Details, sondern auch den Weißen Zwerg im Inneren des Nebels. Die Wissenschaftler erhoffen sich davon neue Erkenntnisse darüber, wie solche Planetarischen Nebel entstehen und sich im Lauf der Zeit verändern.
Im südlichen Sternbild Segel (lateinisch: Vela) befindet sich in 1470 Lichtjahren Entfernung ein junges Doppelsternsystem mit der Bezeichnung HH 46/47. Es wurde mit dem James Webb Space Telescope (JWST) erstmals in sehr hoher Auflösung aufgenommen. Die Abkürzung HH steht für Herbig-Haro nach den beiden US-amerikanischen Astronomen George H. Herbig und Guillermo Haro, die in den 1940er Jahren solche jungen Sternsysteme erstmals im Detail beschrieben haben.
Das Doppelsternsystem HH 46/47 befindet sich in 1470 Lichtjahren Entfernung und wurde erstmals so gut aufgelöst abgelichtet. Webb Space Telescope
Bei einem Herbig-Haro-Objekt treffen die von den Polen der beiden Jungsterne ausgehenden Gasstrahlen (Jets) auf das umgebende interstellare Medium. Dabei schieben sie es zusammen und erzeugen durch Stoßwelleneffekte leuchtende Gasnebel. Im sichtbaren Licht ist nur der nach links weisende Gasstrahl sichtbar, während der andere in einer dunklen Wolke aus Gas und Staub verborgen ist, einer Globule mit der Bezeichnung ESO 216-6A. Sie erscheint in diesem Falschfarbenbild als diffuses bläuliches Leuchten.
Die nur wenige tausend Jahre alten Sterne befinden sich genau am roten Beugungskreuz in der Bildmitte und sind selbst nicht zu sehen. Das Kreuz entsteht durch die Optik des JWST. Auch zahlreiche helle Sterne im Vordergrund sind von Beugungskreuzen umgeben. Am auffälligsten sind jedoch die beiden Jets, die sich jeweils über rund ein Lichtjahr erstrecken. Sie entstehen durch teilweise ionisiertes Gas, das von den beiden eng beieinanderstehenden Sternen in Richtung ihrer Rotationspole abgeblasen wird. Der Gasausstoß erfolgt nicht gleichmäßig, sondern in Schüben, das heißt, die Gasmenge variiert sowohl zeitlich als auch räumlich. Die jüngsten Gasfreisetzungen
erscheinen bläulich, wie unterbrochene Fäden – besonders deutlich im rechten Jet als wellenförmiges Muster.
Die Unterschiede in der Gasfreisetzung hängen davon ab, wie viel Gas von der beide Sterne umgebenden Staubscheibe gerade auf die Zentralgestirne fällt. Dieser Effekt hat Auswirkungen darauf, wie massereich die beiden Sterne eines Tages sein werden, wenn sie sich zu Hauptreihensternen entwickelt haben. Je mehr Materie sie zuvor in den umgebenden Weltraum abblasen, umso masseärmer werden sie im Endeffekt sein. Das Bild ist ein Komposit aus Aufnahmen bei sechs unterschiedlichen
Wellenlängen im mittleren Infrarot. Dabei wurden den schwarz-weißen Einzelbildern Farbtöne zugewiesen. Blaue und grüne Farbtöne kennzeichnen die kürzesten Wellenlängen, gelbe und orangefarbene mittlere Wellenlängen und rote Farbtöne die längsten Wellenlängen. Die Aufnahme entstand im Mai 2023.
Die nur wenige tausend Jahre alten Sterne befinden sich genau am roten Beugungskreuz in der Bildmitte und sind selbst nicht zu sehen. Das Kreuz entsteht durch die Optik des JWST. Auch zahlreiche helle Sterne im Vordergrund sind von Beugungskreuzen umgeben. Am auffälligsten sind jedoch die beiden Jets, die sich jeweils über rund ein Lichtjahr erstrecken. Sie entstehen durch teilweise ionisiertes Gas, das von den beiden eng beieinanderstehenden Sternen in Richtung ihrer Rotationspole abgeblasen wird. Der Gasausstoß erfolgt nicht gleichmäßig, sondern in Schüben, das heißt, die Gasmenge variiert sowohl zeitlich als auch räumlich. Die jüngsten Gasfreisetzungen
erscheinen bläulich, wie unterbrochene Fäden – besonders deutlich im rechten Jet als wellenförmiges Muster.
Die Unterschiede in der Gasfreisetzung hängen davon ab, wie viel Gas von der beide Sterne umgebenden Staubscheibe gerade auf die Zentralgestirne fällt. Dieser Effekt hat Auswirkungen darauf, wie massereich die beiden Sterne eines Tages sein werden, wenn sie sich zu Hauptreihensternen entwickelt haben. Je mehr Materie sie zuvor in den umgebenden Weltraum abblasen, umso masseärmer werden sie im Endeffekt sein. Das Bild ist ein Komposit aus Aufnahmen bei sechs unterschiedlichen
Wellenlängen im mittleren Infrarot. Dabei wurden den schwarz-weißen Einzelbildern Farbtöne zugewiesen. Blaue und grüne Farbtöne kennzeichnen die kürzesten Wellenlängen, gelbe und orangefarbene mittlere Wellenlängen und rote Farbtöne die längsten Wellenlängen. Die Aufnahme entstand im Mai 2023.
Wie entstehen Sterne in Umgebungen mit niedriger Metallizität? Um diese Frage zu beantworten und den Prozess der Sternentwicklung im frühen Universum besser zu verstehen, haben Astronominnen und Astronomen die Kameras des James Webb Teleskops auf die Galaxie NGC 6822 gerichtet. Herausgekommen ist dieses Bild:
Die 1,5 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie NGC 6822, aufgenommen vom James Webb Space Telescope. ESA
Es zeigt ein dichtes Feld aus Sternen sowie Gas- und Staubwolken. Die Wolken sind lückenhaft und diffus. Dichte und glühende Bereiche dominieren das Zentrum des Bildes. Helle Galaxien in verschiedenen Formen und Größen leuchten durch das Gas und die Sterne hindurch.
NGC 6822 liegt etwa 1,5 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und ist der nächste galaktische Nachbar der Milchstraße. Die Galaxie enthält einen geringen Anteil an Elementen abseits von Wasserstoff und Helium – ausgedrückt als Metallizität. Da auch im frühen Universum eine geringe Metallizität herrschte, ist eine Galaxie wie NGC 6822 von besonderem Interesse, wenn man verstehen will, wie die Entwicklung von Sternen und der Lebenszyklus von interstellarem Staub kurz nach dem Urknall abliefen.
NGC 6822 liegt etwa 1,5 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und ist der nächste galaktische Nachbar der Milchstraße. Die Galaxie enthält einen geringen Anteil an Elementen abseits von Wasserstoff und Helium – ausgedrückt als Metallizität. Da auch im frühen Universum eine geringe Metallizität herrschte, ist eine Galaxie wie NGC 6822 von besonderem Interesse, wenn man verstehen will, wie die Entwicklung von Sternen und der Lebenszyklus von interstellarem Staub kurz nach dem Urknall abliefen.
Ein Jahr »James Webb«: Das ist unsere Auswahl der zehn schönsten Bilder des Weltraumteleskops
Mit diesem Bild eines kosmischen Kreißsaals feiert Webb seinen ersten Geburtstag. Die Sternentstehungsregion Rho Ophiuchi ist die der Erde am nächsten gelegene. NASA, ESA, CSA, STScI, Klaus Pontoppidan (STScI)
So viel hätte schief gehen können! Schon beim Start in der Ariane-Rakete, beim Freisetzen des Satelliten in der Erdumlaufbahn, vor allem aber beim irrsinnig komplexen Entfalten des hauchdünnen Wärmeschilds und dem Ausklappen der Spiegel. Astro-Fans erinnern sich wahrscheinlich noch, wie viele Nerven einen die Startphase des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) kostete. Kann das überhaupt klappen? Es konnte! Bekanntermaßen lief alles nach Plan damals in den Weihnachtstagen 2021. Es folgte eine sechs Monate währende Geduldsprobe, in der das JWST an seinen Bestimmungsort, den L2-Punkt, reiste, die Spiegel feinjustierte und alle Systeme in Betrieb nahm.
Am 11. Juli 2022 war es dann so weit: Im Rahmen eines (dann teils doch als eher unterwältigend empfundenen) Events präsentierten US-Präsident Joe Biden und weitere Funktionsträger die lange ersehnten ersten Bilder des neuen Weltraumteleskops. Tags darauf begann das »James Webb« offiziell mit seiner wissenschaftlichen Mission.
Von Anfang an tat sich das JWST schwerer als sein berühmter Vorgänger Hubble, mit spektakulären Einblicken zu begeistern. Wo es seine Stärken ausspielt, etwa beim Aufspüren der ältesten und am weitesten entfernten Galaxien oder beim Aufspalten des Licht kosmischer Objekte in seine spektralen Bestandteile, entstehen keine eindrucksvollen Ansichten. Manchmal liefert aber gerade der Umstand, dass das JWST nur Infrarotlicht auffängt, einen ungewohnten Anblick auf vertraute Himmelskörper – so zum Beispiel bei der Beobachtung von Planeten unseres Sonnensystems.
Und so gibt es sie durchaus, die Schmuckstückchen in der langen Bildergalerie des James-Webb-Teleskops. In diesem Beitrag haben wir unsere zehn Favoriten herausgesucht.
Orionnebel, aufgenommen mit der Infrarotkamera des JWST. ESA/Webb, NASA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), the PDRs4All ERS Team
In einem neu entstehenden Planetensystem im Orionnebel, ungefähr 1350 Lichtjahre von der Erde entfernt, haben Fachleute mit Hilfe des James Webb Space Telescope das Kohlenwasserstoffmolekül CH3+ entdeckt. Es gilt als Baustein für die Entstehung von Organismen – denn das Leben auf der Erde beruht ebenfalls auf Kohlenstoff. Bislang war es nicht möglich, das positiv geladene Ion Methenium, das auch Methylkation genannt wird, nachzuweisen, weil es nur im Infrarotlicht sichtbar ist. Radioteleskope können es daher nicht detektieren, und von der Erde aus lässt es sich auf Grund der Atmosphäre nicht beobachten. Doch mit der Infrarotkamera des neuen Weltraumteleskops gelang es einer Arbeitsgruppe um Olivier Berné von der Université de Toulouse, erstmals das Kohlenwasserstoffmolekül nachzuweisen.
Bereits in den 1970er Jahren hatten Forscher berechnet, dass CH3+ existieren müsse und womöglich eine bedeutende Rolle bei der Entstehung von organischen Molekülen spielen könnte. Wie nun Berné und seine Kollegen im Fachmagazin »Nature« schreiben, entsteht Methenium unerwarteterweise durch die starke UV-Strahlung, die benachbarte massereiche Sterne auf die Planetenwiege aussenden. Sie liefere die Energie für den Prozess. Das Kohlenwasserstoffmolekül reagiert aber offenbar nicht mit dem häufig vorkommenden Wasserstoff H2, sondern mit anderen Molekülen, die womöglich die Grundlage für komplexere Organismen bilden könnten.
Fachleute nehmen an, dass auch unser Sonnensystem während seiner Entstehung starker UV-Strahlung ausgesetzt war. Laut Astrophysiker Berné verändert sie die Chemie in einem entstehenden Planetensystem. UV-Strahlung »könnte tatsächlich eine entscheidende Rolle in den frühen chemischen Stadien der Entstehung von Leben spielen, indem sie zur Produktion von CH3+ beiträgt«, sagt Berné gemäß einer Pressemitteilung der Europäischen Weltraumorganisation ESA. »Etwas, das bisher vielleicht unterschätzt wurde.«
Dieses Bild des Saturn, aufgenommen mit der Near Infrared Camera (NIRCam) des James-Webb-Teleskops, zeigt die Ringe des Planeten in ihrer ganzen Pracht. Während die Ringe Licht im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums aussenden, strahlt der Planet selbst bei längeren Wellenlängen, die in dieser Aufnahme von zwei speziellen Filtern abgeblockt werden. Dass der Saturn nicht komplett schwarz erscheint, liegt am Dunst, der in den obersten Schichten seiner Atmosphäre schwebt. Der reflektiert ebenfalls einen Teil der von den Ringen zurückgeworfenen Wellenlängen; wenn man genau hinsieht, kann man sogar erkennen, dass der Dunst in Streifen über der Oberfläche des Planeten konzentriert ist.
Eine Aufnahme des Planeten Saturn im RAW-Format. JWST/JWSTFeed
Das Bild ist weit entfernt von den farbenprächtigen Aufnahmen, die wir vom JWST gewohnt sind. Bis dahin sind noch eine Reihe Bearbeitungsschritte nötig. Zum einen muss das Rauschen aus den Rohdaten entfernt werden, das sich hier in Form weißer Flecken zeigt. Dann werden für ein Bild mehrere Aufnahmen bei verschiedenen Wellenlängen kombiniert. So würde man zum Beispiel hier mindestens ein weiteres Bild bei längeren Wellenlängen hinzufügen, auf dem Details des Planeten zu erkennen sind. Schließlich weist man jeder Aufnahme einen Farbton zu, der die jeweils aufgezeichneten Wellenlängen kenntlich macht, weil man die aufgenommenen Farben nicht sehen kann: NIRCam arbeitet in einem Bereich, der für unsere Augen nicht sichtbar ist.
Seit bald einem Jahr begeistert das James Webb Space Teleskop (JWST) die Menschen weltweit mit seinen Blicken in die Untiefen des Universums. Es hat Galaxien sichtbar gemacht, die kurz nach dem Urknall entstanden sind, es hat die Atmosphären von Exoplaneten in noch nie dagewesenem Detail erforscht und neue, schärfere Aufnahmen von faszinierenden Orten in unserem Sonnensystem geliefert. Doch tatsächlich geht es gerade erst richtig los. Anfang des Monats erfuhren jene Fachleute, die Vorschläge für die zweite Beobachtungsrunde eingereicht hatten, ob ihre Anträge auf ein Stück der knapp bemessenen Beobachtungszeit erfolgreich waren. Der Wettbewerb war hart. »Es gab eine außergewöhnlich hohe Beteiligung der wissenschaftlichen Gemeinschaft«, sagte Nancy Levenson, Interimsdirektorin des Space Telescope Science Institute (STScI) in Maryland, das das JWST betreibt, gegenüber »Scientific American«.
Insgesamt seien etwa 1600 Vorschläge eingereicht worden. Es konnten jedoch nur 249 Projekte ausgewählt werden. Das bedeutet, dass das JWST mit einer Quote von fast 7 zu 1 überbucht ist, ähnlich wie das Hubble-Weltraumteleskop. Um das Risiko der Voreingenommenheit zu minimieren, erfolgte die Auswahl vollständig anonymisiert. Einige Astronomen, wie etwa Nathan Adams von der Universität Manchester in England, reichten mehrere Vorschläge ein – erhielten jedoch keinen einzigen Zuschlag. Andere, wie beispielsweise Mary Anne Limbach von der Texas A&M University, waren mit drei genehmigten Projekten deutlich erfolgreicher.
Der zweite Beobachtungszyklus startet im Juni. Dann sollen beispielweise Weiße Zwerge näher untersucht werden. Das sind erdgroße Kerne, die zurückbleiben, wenn Sterne wie unsere Sonne zu Roten Riesen anschwellen und ihre äußeren Schichten abstoßen. Diese Sternleichen könnten noch intakte Planeten beherbergen. Forscher hoffen, dadurch mehr über das Schicksal zu erfahren, das der Erde in fünf Milliarden Jahren bevorsteht, wenn unsere Sonne in ihre Rote-Riesen-Phase eintritt. Außerdem soll das JWST nach Ansammlungen von ursprünglichem Gas suchen, das Population-III-Sterne enthalten könnte – die Sterngeneration, von der man annimmt, dass sie das frühe Universum erleuchtet hat. Daniel Eisenstein von der Harvard University plant zudem, das Teleskop an seine Beobachtungsgrenzen zu bringen. Er möchte nach Galaxien Ausschau halten, die bereits 200 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Auch TRAPPIST-1, ein etwa 40 Lichtjahre von der Erde entferntes Planetensystem, steht erneut im Fokus.
Bald beginnt der zweite Beobachtungszyklus des James Webb Space Teleskops. NASA-GSFC, Adriana M. Gutierrez (CI Lab)
Christopher Glein vom Southwest Research Institute (SWRI) in Texas wird das JWST nutzen, um den Saturnmond Enceladus zu untersuchen, der unter seiner eisigen Oberfläche möglicherweise einen bewohnbaren Ozean beherbergt. Beobachtungen der NASA-Raumsonde Cassini, die den Saturn von 2004 bis 2017 umkreiste, haben gezeigt, dass der Mond gelegentlich Wasser aus diesem Ozean über eine Wolke an seinem Südpol ausstößt. Da derzeit keine weitere Mission zu Saturn geplant ist, könne das »JWST als Brücke zwischen der Cassini-Ära und einer Landung auf Enceladus dienen«, sagt er.
Doch nicht alle hatten Glück. David Kipping von der Columbia University etwa reichte zwei Vorschläge ein, um mit dem Teleskop nach Monden zu suchen, die Exoplaneten umkreisen, so genannte Exomonde. Das JWST sei »die erste Maschine, die die Menschheit je gebaut hat, die tatsächlich in der Lage ist, ein solches Experiment durchzuführen«, sagte Kipping. Doch beide Vorschläge wurden abgelehnt.
Doch nicht alle hatten Glück. David Kipping von der Columbia University etwa reichte zwei Vorschläge ein, um mit dem Teleskop nach Monden zu suchen, die Exoplaneten umkreisen, so genannte Exomonde. Das JWST sei »die erste Maschine, die die Menschheit je gebaut hat, die tatsächlich in der Lage ist, ein solches Experiment durchzuführen«, sagte Kipping. Doch beide Vorschläge wurden abgelehnt.
Nancy Levenson weiß, dass viele Forscherinnen und Forscher enttäuscht sind, weil ihre Vorschläge nicht ausgewählt wurden. »Es gibt etliche großartige Ideen, die wir in diesem Zyklus nicht berücksichtigen konnten«, sagt sie. Diejenigen, die es nicht geschafft hätten, könnten sich bis Oktober erneut für den dritten Zyklus bewerben. »Es gibt eine ganze Reihe von wissenschaftlichen Aufgaben, für die das JWST hervorragend geeignet ist«, sagt Levenson. »Wir sind definitiv noch lange nicht fertig.«
Der Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter besteht primär aus kalten, toten Gesteinsbrocken aller Art. Nur ganz selten findet sich darunter ein »aktiver« Asteroid, der ganz ähnlich wie die Kometen aus den Randbereichen des Sonnensystems, eine gasförmige Wolke (Koma) um sich herum ausbildet, sobald er die sonnennahen Abschnitte seiner Bahn durchläuft. Einen solchen so genannten Hauptgürtelkometen hat das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) nun erstmals spektroskopisch untersucht. Dabei zeigte sich ein fundamentaler Unterschied zu den Kometen aus dem äußeren Sonnensystem: Die Koma des Hauptgürtelkometen enthält zwar Wasser, aber anders als diese kein Kohlendioxid.
Erst mit dem Auflösungsvermögen des JWST war diese Analyse möglich. Das Teleskop hat dazu das Licht von 238P/Read, wie der Komet nach seinem Entdecker Michael Read vom Royal Observatory in Edinburgh, genannt wird, in seine Wellenlängen zerlegt. Das Team um Michael Kelley von der University of Maryland in College Park entdeckte in dieser gasförmigen Hülle die charakteristischen Spuren von Wasserdampf, nicht aber von CO2. Die Auswertung ihrer Aufnahmen mit dem JWST-Instrument NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) hat das Team nun in der Fachzeitschrift »Nature« publiziert.
238P/Read
Entweder ist das flüchtigere Kohlendioxid bereits in der Vergangenheit weitestgehend verdunstet, so dass heute nur noch Wasser übrig ist. Oder der Komet entstand in einer Himmelsregion, die zwar kalt genug für Wassereis war, nicht aber für Kohlendioxid. Herauszufinden, wie das Wasser im frühen Sonnensystem verteilt war und heute noch ist, hilft auch die Geschichte der Erde und ihrer Ozeane besser zu verstehen. Auch das Studium anderer Planetensysteme »und ob sie auf dem Weg sind, einen erdähnlichen Planeten zu beherbergen« profitiere davon, sagt die NASA-Planetenforscherin Stefanie Milam, eine Koautorin der Studie, laut einer Mitteilung der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA.
238P/Read misst rund 500 Meter im Durchmesser und erscheint auch auf den Aufnahmen des neuen Weltraumteleskops lediglich als winziger Fleck. Die Fachleute berechneten, dass am sonnennächsten Punkt seiner Bahn (Perihel) rund 18 Liter Wasser pro Minute von seiner Oberfläche sublimieren. Vermutlich liegt nur auf manchen Regionen das Eis frei, während andere mit Staub und Geröll bedeckt sind. Der Komet benötigt etwas mehr als fünfeinhalb Jahre für einen Umlauf um die Sonne. Eine ausgeprägte Koma zeigt er nur um das Perihel herum, das er im September 2022 erreicht hatte. Kurz danach wurde er vom Weltraumteleskop beobachtet. Er war dabei ungefähr 2,4-mal so weit von der Sonne entfernt wie die Erde. Beobachtungen des im Jahr 2005 entdeckten Kometen zeigen, dass seine Aktivität von Mal zu Mal schwächer wird – möglicherweise weil die Menge des freiliegenden Eises immer mehr erschöpft ist.
Fomalhaut ist ein etwa 440 Millionen Jahre alter Stern, der 25 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Südlicher Fisch liegt. Neue Bilder vom James Webb Space Telescope (JWST) zeigen zum ersten Mal feine Details in der Scheibe aus Staub und Gesteinsbrocken, die Fomalhaut umgibt. Dabei wurde unter anderem ein zuvor unbekannter Asteroidengürtel enthüllt. Das Team um András Gáspár von der University of Arizona konnte die Infrarotstrahlung in der seit den 1980er Jahren bekannten Scheibe mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit beobachten und veröffentlichte die Ergebnisse der aktuellen Studie im Magazin Nature Astronomy.
Scheiben um junge Sterne sind für die Forschung von großem Interesse, weil sie unter anderem Einblicke in die Bildung von Planeten geben und somit helfen, die Entstehung unseres eigenen Sonnensystems besser zu verstehen. Neben den Planeten selbst sind vor allem diejenigen Ringe aus Staub und Gestein spannend, die mit unserem Asteroidenhauptgürtel zwischen Mars und Jupiter oder dem Kuipergürtel jenseits von Neptun vergleichbar sein könnten. Jahrzehntelang verhinderten eine zu geringe Auflösung und Empfindlichkeit von Teleskopen detaillierte Beobachtungen.
Scheiben um junge Sterne sind für die Forschung von großem Interesse, weil sie unter anderem Einblicke in die Bildung von Planeten geben und somit helfen, die Entstehung unseres eigenen Sonnensystems besser zu verstehen. Neben den Planeten selbst sind vor allem diejenigen Ringe aus Staub und Gestein spannend, die mit unserem Asteroidenhauptgürtel zwischen Mars und Jupiter oder dem Kuipergürtel jenseits von Neptun vergleichbar sein könnten. Jahrzehntelang verhinderten eine zu geringe Auflösung und Empfindlichkeit von Teleskopen detaillierte Beobachtungen.
Erste Fortschritte gab es mit Teleskopen wie ALMA, Hubble und Herschel, die bei Fomalhaut einen Ring zeigten, der wegen der großen Entfernung zum Stern von rund 140 Astronomischen Einheiten mit unserem Kuipergürtel verglichen wurde (eine Astronomische Einheit entspricht der mittleren Entfernung der Erde zur Sonne). Es gab auch bereits Hinweise auf eine innere Scheibe, die nun jedoch erstmals mit dem JWST nachgewiesen werden konnte. Sie stellt sich als deutlich größer heraus als ursprünglich angenommen. In unserem Sonnensystem gibt es nichts Vergleichbares. Die Bilder vom JWST zeigen aber noch sehr viel mehr als nur die innere Scheibe und den bereits bekannten Ring.
Um den Stern Fomalhaut war bisher nur ein Ring bekannt, der unter anderem mit den Teleskopen ALMA (rot) und Hubble (blau) beobachtet wurde. Neue Aufnahmen mit dem JWST (orange) zeigen nicht nur einen neu entdeckten inneren Ring – vergleichbar mit unserem Asteroidengürtel – sondern auch eine deutlich weiter ausgedehnte Scheibe mit vielen Details. Adam Block (press.springernature.com/spatially-resolved-imaging-of-the-inner-fomalhaut-disk-using-jws/25279418)
So gibt es einen weiteren Ring, der deutlich näher am Stern und daher eher vergleichbar mit dem Asteroidengürtel in unserem Sonnensystem ist. Das wird als Hinweis auf bisher nicht nachgewiesene Planeten gewertet, die auf ihrer Umlaufbahn Material zwischen den beiden Ringen und der inneren Scheibe aufsammeln. Interessanterweise liegen der innere und äußere Ring nicht in einer Ebene, sondern sind um wenige Grad gegeneinander geneigt. Zudem zeigen die Aufnahmen, dass Staub und Gestein in den Ringen nicht gleichmäßig verteilt sind, sondern sich zu kleinen Wolken verdichten können. Das Team vermutet den Einfluss von Kollisionen, was für eine aktive Scheibe spricht, in der noch viele Interaktionen stattfinden.
Mit vergleichbaren Beobachtungen der Sterne Wega und Epsilon Eridani möchte das Team um Gáspár in Zukunft herausfinden, wie ähnlich sich die Scheiben um verschiedene Sterne sind. Dabei wird sich auch zeigen, wie gewöhnlich oder ungewöhnlich unser Sonnensystem ist.
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