Illustration James Webb Weltraumteleskop im All (Foto: Pressestelle, ESA/Northrup Grumman)

Weltraumtechnik

Das James Webb Weltraumteleskop startet endlich ins All

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Bis zur Geburt der ersten Sterne und Galaxien blicken, Exoplaneten finden und mittels Infrarotkameras in die Zeit kurz nach dem Urknall schauen. Das soll das neue „James Webb Space Telescope“ ermöglichen.

Das "James Webb Space Telescope" ist eines der größten wissenschaftlichen Projekte der Geschichte. Mit einem 25 Quadratmeter großen Spiegel und hochsensiblen Infrarotoptiken wird dieses Weltraumteleskop tiefer ins Universum schauen als alle anderen vor ihm. Entwickelt wurde das Teleskop in den USA und Europa. Das Infrarot-Teleskop soll Blicke bis weit zurück in die Vergangenheit des Universums ermöglichen: bis zur Geburt der ersten Sterne und Galaxien kurz nach dem Urknall.

Erste Arbeiten für das neue Weltraumteleskop hatten bereits 1996 begonnen. Damals geschätzte Kosten: 300 Millionen Dollar, damals geplanter Start: 2011. Daraus sind inzwischen, je nach Rechnung, über 10 Milliarden Dollar geworden. Gestartet ist das Weltraumteleskop nun, mit 10 Jahren Verspätung, am 25. Dezember 2021.

Das James Webb Weltraumteleskop im Goddard Space Flight Center der NASA (Foto: Pressestelle, NASA/Desiree Stover)
Der 18-teilige Goldspiegel des Webb-Teleskops ist speziell dafür ausgelegt, Infrarotlicht von den ersten Galaxien einzufangen, die sich in der Frühzeit des Universums gebildet haben. Pressestelle NASA/Desiree Stover

Teuerstes Forschungsinstrument der Raumfahrtgeschichte

Das James Webb Weltraumteleskop gehört neben dem Space Shuttle und dem LHC Teilchenbeschleuniger zu den kompliziertesten Maschinen, die die Menschheit je gebaut hat. Das James Webb Weltraumteleskop ist so groß wie ein Tennisplatz und so hoch wie ein dreistöckiges Haus, und passt nur zusammengefaltet in die Spitze einer Ariane 5-Rakete. Mit 6,5 Meter Durchmesser ist sein Hauptspiegel fast dreimal größer als jener des legendären Hubble-Teleskops.

Seinen Namen bekam das „James Webb Space Telescope“ im Jahr 2002. James E. Webb (1906-1992) war ehemaliger NASA-Vizedirektor und leitete die Organisation von 1961 bis 1968. In diese Zeit fallen beeindruckende Erfolge der NASA, einschließlich des Apollo-Programms.

Deshalb macht das neue Weltraumteleskop Sinn

Das legendäre Hubble-Teleskop liefert seit über 30 Jahren beeindruckende Bilder aus dem All: Sei es von Galaxien, die zusammenstoßen, von spektakulären Staubwolken, in denen Sterne entstehen oder sogar erste Aufnahmen von Planeten, die um andere Sterne als unsere Sonne kreisen.  

Doch für die Untersuchung von Staub im All - sogar den Blick in Staubwolken hinein - ist das James Webb Teleskop wesentlich besser geeignet als Hubble.

Laut Prof. Dr. Thomas Henning, Direktor vom Max-Plank-Institut für Astronomie, wird das James Webb Space Teleskop mit Sicherheit große Fortschritte in der Wissenschaft bringen: „Viele Dinge, die wir dort sehen werden, wie Wassermoleküle, die kann man nur sehr gut mit dem James Webb Space Teleskop beobachten und die Empfindlichkeit ist nicht nur ein Faktor 10 besser als von der Erde aus, sondern sie ist ein Faktor 1.000 bis 10.000 besser.“

Illustration des Hubble-Weltraumteleskops (Foto: Pressestelle, NASA)
Das Hubble Teleskop, der Vorgänger von James Webb. Es ist nach Edwin P. Hubble benannt einem amerikanischen Astronomen. Pressestelle NASA

Ein Blick in die Sterne ist ein Blick in die Vergangenheit

Das Licht vieler Sterne am Nachthimmel braucht hunderte, sogar tausende Jahre, bis es auf der Erde ankommt. Wir sehen diese Sterne nicht wie sie jetzt sind, sondern wie sie vor tausenden Jahren waren. Deshalb ist der Blick an den Sternenhimmel immer ein Blick in die Vergangenheit. Kann man da, in der Vergangenheit am Himmel, auch noch irgendwo den Urknall erkennen?

Der Urknall ist 13.8 Milliarden Jahre her. Licht, das aus dieser Zeit stammt und erst jetzt bei uns ankommt gibt es tatsächlich, aber es ist sehr schwach. Doch mit dem neuen Teleskop wird man in diesem uralten Universum die ersten Sterne erkennen können, die sich nur 300 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben – also als das Universum nur 2 Prozent seines heutigen Alters erreicht hatte. Thomas Zurbuchen, Wissenschaftsdirektor der NASA erläutert die Hintergründe:

"Das Universum dehnt sich aus mit einer unglaublichen Geschwindigkeit. Wir wissen das, weil je weiter Galaxien von uns entfernt sind, desto schneller gehen sie auch von uns weg. Das Licht wird immer „kühler“, wie wir sagen, es hat eine immer tiefere Frequenz. Wie ein Krankenwagen, der an uns vorbeifährt. Da wird der Ton tiefer, wenn der Krankenwagen wegfährt.  Das Licht, dass wir beobachten werden, ging vor 13 Milliarden Jahren von den Galaxien weg. Das sind die ersten Galaxien, ungefähr 200 oder 300 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das ist unglaublich altes Licht und zeigt uns einen Teil des Universums, den wir bislang noch nie beobachtet haben."

Aufnahme von Hubble  (Foto: Pressestelle, NASA)
Eine Aufnahme des NASA/ESA-Weltraumteleskops Hubble zeigt einen Strudel aus glühendem Gas und dunklem Staub in einer der Satellitengalaxien der Milchstraße. Pressestelle NASA

Im Infrarotbereich sind tiefere Blicke ins Universum möglich

Lichtwellen aus der Frühzeit des Weltalls sind noch im All unterwegs. Aber diese Lichtwellen, die vor über 13 Millionen Jahren losgelaufen sind, wurden in der langen Zeit durch die ständige Ausdehnung des Universums enorm gedehnt. Bis auf das 20-fache ihrer ursprünglichen Wellenlänge.

Aus Wellenlängen im sichtbaren Bereich des Lichts wurden Wellen im Infraroten, also im Bereich der Wärmestrahlung. Das ist kein Licht mehr, das das menschliche Auge sehen kann – aber das James Webb Teleskop kann dieses Licht sammeln und so die allerersten Sterne und Galaxien abbilden, die nach dem Urknall entstanden sind.  Und im Infrarotlicht kann das James Webb Teleskop sogar ins Innere von dunklen Staubwolken im All hineinschauen und sehen, ob sich dort gerade Sterne und Planeten bilden.

Sechs Spiegelsegmente des JWST (Foto: Pressestelle, NASA)
Sechs der 18 Spiegelsegmente werden für den Umzug in die Röntgen- und Kryoanlage vorbereitet. Dort werden sie einigen Tests unterzogen. Pressestelle NASA

Die Suche nach der zweiten Erde

Sehr wahrscheinlich wird das neue Weltraumteleskop auch Exoplaneten finden, die um ferne Sterne kreisen. Und es wird darüber Auskunft geben, ob so ein Exoplanet eine Atmosphäre hat, in der Sauerstoff, Ozon, Wasserdampf oder andere Gase, die für die Entwicklung von Leben wichtig sein können. Die Suche nach der zweiten Erde kommt mit diesem Superteleskop sicher einen Schritt weiter. Dazu Thomas Zurbuchen:

"Ein Drittel bis fast 50 Prozent der Forschung, die auf Webb gemacht wird, hat auch damit zu tun, Planeten und andere Sterne in unserer Galaxie zu beobachten und die Atmosphäre zu messen. Wir werden uns diese Planeten mit einer Genauigkeit, die wir noch nie hatten, ansehen.  Die Atmosphäre der Erde änderte sich unglaublich, als plötzlich Leben hier war. Wir wissen das aus verschiedenen Modellen, aber auch aus Proben der frühen Zeit, von alten Steinen. Die Frage ist, können wir solche Änderungen auch bei anderen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems sehen? Webb wird uns unglaublich helfen dabei."

Das Weltraumteleskop muss sich erst wie ein Schmetterling selbst entfalten

Um das neue Superteleskop in Betrieb zu nehmen, muss es sich nach dem Start vom Raumbahnhof Korou von der Raketenspitze lösen und genau 33 Minuten nach dem Start damit beginnen, seine Solarzellen auszuklappen um eigenen Strom zu produzieren. Sonst sind seine Batterien nach wenigen Stunden leer. Nach dem Ausklappen der Solarzellen werden noch fast zwei Wochen lang Tag für Tag weitere Teile ausgeklappt. 130 Mechanismen müssen 300 Ausklappschritte vollführen, damit sich das Teleskop entfalten kann - wie ein Schmetterling aus seiner Puppe. Das Ganze ist ein sehr komplexes und riskoreiches Manöver, sagt Thomas Zurbuchen, Wissenschaftsdirektor der NASA:

"Durch den Raketenstart wird das ganze Teleskop durchgeschüttelt und dann muss sich die Spitze der Rakete öffnen und James Webb bekommt sozusagen nochmal einen Kick, um anderthalb Millionen Kilometer hinter die Erde - von der Sonne aus gesehen - zu fliegen. Nach diesem Kick liegen 20 Prozent des Risikos hinter uns. Normalerweise, bei anderen Missionen, hätten wir jetzt schon 80 Prozent des Risikos hinter uns. Aber nicht bei dieser Mission."

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Infrarotteleskop braucht Tiefkühlung, damit es funktioniert

Ganz wichtig ist die korrekte Entfaltung des Hitzeschilds. Auf seiner Sonnenseite wird er um plus 100 Grad Celsius heiß werden, in seinem Schatten herrschen jedoch minus 237 Grad. Diese Tiefkühlung ist notwendig, damit die Sensoren des Teleskops die schwache Wärmestrahlung aus dem All erkennen können und nicht von der Wärmestrahlung von Sonne, Erde oder Mond geblendet werden.

Damit dies gelingen kann, wird das Teleskop 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt stationiert. Seinen Platz soll das Teleskop am sogenannten „Lagrange-Punkt 2“ finden. Dieses Ziel ist eine Kreisbahn um einen Punkt im All herum, an dem sich die Anziehungskraft von Erde und Sonne und die an diesem Punkt auftretende Zentrifugalkraft aufheben – dieser sogenannte Lagrange-Punkt liegt 1,5 Mio Kilometer von der Erde entfernt. Das ist fast viermal weiter als der Mond und 25.000-mal weiter weg als das Hubble Teleskop. Servicemissionen dorthin sind unmöglich oder nahezu unmöglich.  

Elekromagnetisches Spektrum mit den Bereichen von "Hubble" und "James Webb" (Foto: Pressestelle, NASA)
Elekromagnetisches Spektrum mit den Bereichen von "Hubble" und "James Webb" Pressestelle NASA

James Webb ist an einem ganz anderen Ort, an dem es unglaublich kalt ist. In dieser Kälte könnten wir gar nicht mit Astronauten operieren. James Webb wurde so gebaut, dass es allein funktionieren muss und wird.  

Thomas Henning, Direktor des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg, erklärt, warum man ausgerechnet diese Position im All gewählt hat:

„Das ist ein Punkt, den man sich so vorstellen kann, dass die Erde, die Sonne, wie auf einer Perlenschnur aufgereiht ist und das Teleskop als drittes Objekt auf dieser Perlenschnur steht. Und dann kann man die Sonne und die Erde abdecken mit einem Schirm und kann sozusagen verhindern, dass das Teleskop warm wird. Wir brauchen ein kaltes Teleskop, weil wir ja kalte Objekte beobachten wollen und wir wollen jetzt nicht die störende Infrarotstrahlung der Sonne sozusagen haben.“

Teile des Teleskops wurden in Deutschland entwickelt

Am kältesten braucht es übrigens ein Filterrad, das mit Unterstützung von Forschern aus Heidelberg und Köln entwickelt wurde. Es muss mit flüssigem Helium noch weiter aheruntergekühlt werden. Durch das in Deutschland gebaute Filterrad wird dann bei minus 260 Grad jenes Licht strahlen, das aus dem Inneren der Geburtswolken der allerersten Sterne stammt. 

Das Heidelberger Filterrad (Foto: SWR)
Das Wissenschaftler*innen am Heidelberger Max-Planck-Institut haben mit diesem Filterrad eines der wichtigsten Infrarot-Instrumente an Bord des James-Webb-Teleskops konstruiert und gebaut. Damit können verschiedene Filter für verschiedene Wellenlängen eingesetzt werden.

Rakete muss gedrosselt werden, um eine Überhitzung der Instrumente zu verhindern

Das Riesenteleskop hat eigene Triebwerke, um die aber als Bremstriebwerke einsetzen zu können, um bei der Ankunft an seinem Zielort im All abzubremsen, müsste sich das Teleskop umdrehen und zur Sonne blicken. Die empfindlichen Instrumente könnten dann von der Hitze der Sonne zerstört werden. Abbremsen ist also nicht möglich. Deshalb wird die Ariane 5 Rakete, die das Teleskop ins All bringt, in ihrer Leistung absichtlich ein wenig gedrosselt, damit das James Webb Teleskop langsamer als es eigentlich möglich wäre im All unterwegs ist und dadurch nicht bremsen muss, sondern sich mit den eigenen Triebwerken sanft zu seinem Ziel im All hin schubsen kann. 

30 Tage des Schreckens

Noch nie gab es einen so komplexen Vorgang zur Inbetriebnahme einer Maschine im All, ohne die Chance auf Korrektur. Angesichts des Risikos, das der ganzen Sache innewohnt, spricht man bei NASA und ESA von “30 Days of Horror”, 30 Tagen des Schreckens, bis das Teleskop voll ausgeklappt seinen Zielort erreicht haben wird. Thomas Zurbuchen, Wissenschaftsdirektor der NASA ist aber zuversichtlich, dass alles klappen wird:

Wenn man nicht aufgeregt ist, versteht man nicht, was wir vorhaben. Das ist ein unglaublich komplexes und großes Teleskop, das  teuerste Instrument, das wir je gebaut haben, um Forschung zu betreiben. Ja, ich bin aufgeregt und ruhig gleichzeitig. Ich bin mir bewusst, wie gut das Team ist, was uns bis hierher gebracht hat. 

Bild einer startenden Ariane 5 Rakete (Foto: Pressestelle, NASA)
Die Rakete Ariane 5 startet mit James Webb im Gepäck am 25. Dezember 2021. Pressestelle NASA

Treibstoff für nur 15 Jahre

Ohne Servicemission von der Erde kann das James Webb Teleskop dort weit draußen im All ca. 15 Jahre lang arbeiten, bis der Treibstoff für seine Triebwerke, mit denen es seine Flugbahn gelegentlich korrigieren muss, zur Neige geht.  

Nur 15 Jahre – das wäre deutlich weniger als beim Hubble Teleskop. Doch Hubble fliegt so nah an der Erde, dass die Erdkugel die Hälfte des Tages Hubbles Blick ins All blockiert. Das Webb-Teleskop hat jeden Tag volle 24 Stunden unverstellten Blick ins All. So gesehen sind 15 Webb Jahre dann doch wie 30 Hubble Jahre. 

Genug Forschungszeit, um auf die Anfänge des Universums zurückzublicken und weitere Teile der Antwort auf die großen Fragen der Menschheit zu finden – wie ist dieses verrückte Universum nur entstanden? Und sind wir darin wirklich allein? 

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