Wie das James-Webb-Teleskop die Astronomie verändert

Als am Weihnachtstag 2021 eine Ariane-5-Rakete von Französisch-Guayana abhob, trug sie eine Ladung Träume: das James Webb Space Telescope (JWST). Diese Träume gehörten Astronomen, die hofften, weiter in den Weltraum zu blicken als je zuvor, in eine Zeit, als sich die ersten Galaxien bildeten; Staubwolken durchdringen, um der Geburt von Sternen beizuwohnen; und die Atmosphären von Exoplaneten zu untersuchen, um herauszufinden, ob sie Leben beherbergen könnten. Nach mehr als einem Jahr im Weltraum beginnt JWST, diese Träume in die Realität umzusetzen.

Das neueste Weltraumteleskop bietet erhebliche Vorteile gegenüber allen vorherigen Missionen. An erster Stelle steht seine Größe: JWST verfügt über einen 6,5 Meter langen Spiegel, der aus 18 vergoldeten sechseckigen Segmenten besteht. Dieser Koloss sammelt mehr als sechsmal so viel Licht wie der 2,4-Meter-Spiegel des Hubble-Weltraumteleskops und kann daher das Licht von Objekten sechsmal schneller aufzeichnen als sein Vorgänger.

Aber die Empfindlichkeit von JWST gegenüber Infrarotlicht ist der eigentliche Game-Changer. Das Weltraumteleskop kann Wellenlängen von 0,6 bis 28,5 Mikrometern beobachten, vom roten Ende des sichtbaren Spektrums bis zum mittleren Infrarot. Die Optik von Hubble ist für die Aufzeichnung von Strahlung von 0,09 Mikrometer (im Ultraviolett) bis 2,5 Mikrometer (im nahen Infrarot) optimiert, wobei sich der Großteil der Empfindlichkeit auf sichtbares Licht konzentriert. Es überrascht vielleicht, dass JWST im vorgesehenen Infrarotbereich im Allgemeinen keine feineren Details auflöst, als Hubble im optischen Licht erreicht: Obwohl die Auflösung mit der Spiegelgröße zunimmt, nimmt sie auch mit der Wellenlänge ab.

Durch die Beobachtung im Infrarotbereich können Astronomen Galaxien sehen, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall existierten. Diese entfernten Objekte emittieren ultraviolettes und sichtbares Licht, aber die Expansion des Universums verschiebt diese Strahlung in längere Infrarotwellenlängen. Der Blick ins Infrarot ist die einzige Möglichkeit, diese jungen Galaxien aus der Nähe der Erde zu beobachten. Dasselbe gilt auch für neu entstehende Sterne. Der Staub, der die Säuglingssonnen umhüllt, streut sichtbares Licht und verbirgt so das Innere vor unseren Augen, lässt jedoch Infrarotstrahlung weitgehend durch.

Der Mensch kann Infrarotstrahlung nicht sehen. Daher stimmen die Farben in JWST-Bildern nicht mit dem überein, was das Auge sehen würde. In vielen Fällen ordnen Wissenschaftler längere Infrarotwellenlängen dem roten Ende des sichtbaren Spektrums zu und kürzere Wellenlängen dem blauen Ende und ahmen so die Funktionsweise des Auges nach. Aber manchmal wird dieses Muster geändert, um Details in einem aufschlussreicheren Licht zu zeigen.

Obwohl JWST Ende 2021 startete, brauchte das Weltraumobservatorium 29 Tage, um seine Heimat zu erreichen, die den Lagrange-Punkt L2 umkreist, etwa 930.000 Meilen (1,5 Millionen Kilometer) von der Erde entfernt, und weitere fünf Monate, bis Wissenschaftler und Ingenieure das Teleskop für seinen Einsatz vorbereitet hatten Debüt. Die meisten bisherigen Ergebnisse stammen aus wissenschaftlichen Frühprogrammen und Vorschlägen aus dem ersten Zyklus wissenschaftlicher Operationen (Zyklus 1). Lesen Sie weiter, um einige der aufregendsten frühen Funde des Teleskops zu erkunden.

Trotz seines Fokus auf entfernte Galaxien und Sternentstehung ist das JWST ein Allzweck-Observatorium. Sein leistungsstarkes Infrarotauge erkennt Details in Objekten des Sonnensystems, die außerhalb der Reichweite herkömmlicher Teleskope liegen. Zu den ersten Beobachtungen gehört die Untersuchung von Wolkengürteln auf den Gas- und Eisriesenplaneten; Verfolgung von Wolkenformationen auf Saturns größtem Mond Titan; Erkundung des Klimas von Pluto; und die Untersuchung vieler kleinerer Asteroiden und transneptunischer Objekte, die das äußere Sonnensystem bevölkern.

JWST beobachtete im September sogar den Asteroidenmond Dimorphos, als der Double Asteroid Redirection Test (DART) der NASA ihn traf. Der Einschlag veränderte leicht die Umlaufbahn des Objekts um seinen Mutterkörper Didymos und half der Raumfahrtbehörde dabei, seine Fähigkeit einzuschätzen, den Kurs potenziell gefährlicher Asteroiden zu ändern, die den Weg der Erde kreuzen könnten.

Es ist nicht weit hergeholt, sich das Weltraumteleskop als einen planetarischen Wettersatelliten für das gesamte Sonnensystem vorzustellen. Unsere letzten Nahaufnahmen von Saturn erfolgten kurz bevor die Raumsonde Cassini im September 2017 auf den Ringplaneten stürzte. Und seit Voyager 2 in der zweiten Hälfte der 1980er Jahre an ihnen vorbeiflog, hat keine Raumsonde Uranus oder Neptun besucht. Aber JWST kann Sturmsysteme auf diesen Welten bis ins kleinste Detail betrachten.

Neptun geriet im vergangenen Juli unter die wachsamen Augen des Teleskops. Der größte Teil der sichtbaren Oberfläche des Eisriesen sieht dunkel aus, weil Methangas in seiner Atmosphäre Licht im nahen Infrarot absorbiert. Aber mehrere Wolken aus Methaneis leuchten hell und ein Hinweis auf die globale Zirkulation des Planeten erscheint als dünne Linie, die den Äquator nachzeichnet. Diese Zirkulation treibt Neptuns Stürme und starke Winde an, die schneller wehen als auf jedem anderen Planeten. JWST lieferte auch die schärfsten Ansichten der Neptunringe seit Voyager 2 im Jahr 1989 die Welt besuchte.

Auch wenn Planetenforscher daran arbeiten, die vielen verlockenden Geheimnisse unseres Sonnensystems zu enthüllen, bleiben die über 5.000 bekannten Exoplaneten in unserer Galaxie ein Rätsel. Während wir normalerweise ihre Umlaufbahnen und oft auch ihre Größe und Masse kennen, liegen die meisten anderen Informationen außerhalb der Reichweite erdgestützter Teleskope und sogar Hubbles. Aber JWST hat bereits damit begonnen, den Status quo zu ändern.

Wie wichtig sind Exoplaneten für JWST-Wissenschaftler? Sie haben fast ein Viertel der Beobachtungszeit während Zyklus 1 für das Studium dieser Welten und der Materialien, aus denen sie bestehen, aufgewendet.

Obwohl nicht für die Entdeckung von Exoplaneten konzipiert, hat das JWST einen um den Stern LHS 475 bestätigt, einen Roten Zwerg, der sich 41 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Oktans befindet. Der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA deutete an, dass dieser Stern einen Planeten beherbergen könnte, aber es bedurfte des neuen Weltraumteleskops, um den winzigen Helligkeitsabfall zu bestätigen, der dadurch verursacht wurde, dass der Planet die Scheibe des Sterns durchquerte oder an ihr vorbeizog. Der Planet scheint felsig zu sein und hat einen Durchmesser, der nur ein Prozent kleiner als der der Erde ist, obwohl die Ähnlichkeit mit unserer Heimatwelt hier endet. Er umkreist seine Sonne in nur zwei Tagen und weist eine Temperatur auf, die einige hundert Grad wärmer ist als die Erde.

Die wahre Stärke des JWST liegt jedoch in seiner Fähigkeit, die Atmosphären von Exoplaneten zu analysieren. Um dies zu erreichen, muss das Teleskop mit seinen leistungsstarken Spektrographen Transite beobachten. Wenn ein Planet zwischen der Erde und seinem Wirtsstern vorbeizieht, filtert seine Atmosphäre einige Wellenlängen des Sternenlichts. Da jedes Atom und Molekül einen eigenen spektralen Fingerabdruck hat, können Astronomen die chemische Zusammensetzung dieser Welten untersuchen.

Die meisten Moleküle, die für Exoplanetenforscher von Interesse sind, liegen im Infrarotbereich des Spektrums. Während Hubble Wissenschaftler mit seinen Beobachtungen verführen könnte, wird JWST ihren Appetit stillen.

Das erste Exoplanetenziel des Observatoriums war WASP-39 b, ein heißer Gasriese, der einen sonnenähnlichen Stern in 700 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Jungfrau umkreist. Die hervorragende Auflösung von JWST zeigte Wasser, Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid, Natrium, Kalium und – zum ersten Mal überhaupt auf einem Exoplaneten – Kohlendioxid. Der Planet leuchtet bei einer Temperatur von 1.650 Grad Fahrenheit (900 Grad Celsius), nicht aufgrund eines außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekts, sondern weil er seinen Stern nur 4,52 Millionen Meilen (7,27 Millionen km) umkreist. (Im Vergleich dazu kreist Merkur in einer Entfernung von fast 36 Millionen Meilen [57,9 Millionen km] um die Sonne.)

Planeten und ihre Wirtssterne entstehen alle in den gas- und staubreichen Sternbrutkästen, die Astronomen Nebel nennen. Aber diese Wolken – so schön sie auch sein mögen – verschleiern die lebenswichtigen Aktivitäten, die im Inneren stattfinden, zumindest im sichtbaren Licht. Die Infrarotsicht von JWST hat damit begonnen, diese Umgebungen zu erschließen.

Eines seiner ersten Ziele war ein kleiner Teil des Adlernebels (M16) im Sternbild Serpens, den Hubble 1995 berühmt machte. Das dramatische Bild „Säulen der Schöpfung“ wurde vom TIME Magazine in die Liste der 100 einflussreichsten Fotos überhaupt aufgenommen Zeit. JWST hat einen ebenso atemberaubenden Blick auf diese ikonische Sternentstehungsregion eingefangen, die 6.500 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Wo Hubble hauptsächlich undurchsichtigen Staub und kaltes Gas sah, enthüllte JWST viele Sterne, die bereits aus ihren Geburtskokons schlüpften. Die meisten dieser neugeborenen Sterne erscheinen außerhalb der dunklen Säulen und zeigen sich durch ihre Beugungsspitzen, ein Merkmal von Bildern, die mit Spiegelteleskopen wie dem JWST aufgenommen wurden.

Diese jungen Sonnen hatten Zeit, in ihrem Kern die Kernfusion zu entfachen und sich zu vollwertigen Sternen zu entwickeln. Aber JWST entdeckte noch jüngere Objekte, sogenannte Protosterne, die immer noch Gas und Staub aus ihrer Umgebung ansaugen. Solche Jugendlichen stoßen regelmäßig Materialstrahlen aus, die mit ihrer dichten Umgebung kollidieren und sie zum Strahlen bringen. Die besten Beispiele erscheinen als leuchtend rotes Leuchten in der Nähe der Spitzen der beiden unteren Säulen. Astronomen schätzen, dass die Protosterne nur wenige hunderttausend Jahre alt sind.

Sternentstehung findet natürlich überall im Universum statt, und JWST-Wissenschaftler waren bestrebt, ihre vielfältigen Erscheinungsformen außerhalb unserer Galaxie zu erforschen. Zwei wichtige Standorte liegen innerhalb unserer lokalen Gruppe. Die Große und Kleine Magellansche Wolke, die beiden massereichsten Satellitengalaxien der Milchstraße, spielen eine große Rolle bei der Entschlüsselung des Universums.

Das liegt daran, dass die Menge an Metallen – Elemente, die schwerer als Helium sind und in massereichen Sternen verkocht sind – in den beiden Galaxien etwa halb so hoch ist wie in der Milchstraße. Diese Bedingungen ähneln jenen, die herrschten, als der Kosmos gerade einmal 2 oder 3 Milliarden Jahre alt war und die Galaxien am stärksten Sterne produzierten. Das Feuerwerk während dieses sogenannten kosmischen Mittags prägte die damaligen Galaxien und beeinflusst auch heute noch die Galaxien, die wir heute sehen.

Kein Merkmal in den Magellanschen Wolken spiegelt diese chaotischen Zeiten besser wider als der Tarantelnebel (NGC 2070) der großen Wolke. (Weitere Informationen zum Tarantula-Nebel finden Sie unter „Den Tarantula-Nebel entwirren“ in der Septemberausgabe 2021.) Die Tarantula ist die größte Sternentstehungsregion im lokalen Universum und schmiedet in rasender Geschwindigkeit neue Sterne. Astronomen haben bisher rund 820.000 Sterne katalogisiert, und die riesigen Wasserstoff- und Heliumvorräte, die der Nebel enthält, sollten für Hunderttausende weitere reichen. Der leuchtende Sternhaufen in seinem Zentrum, R136 genannt, enthält Dutzende Sterne mit einem Gewicht von mindestens 100 Sonnenmassen.

Die ersten Beobachtungen von JWST enthüllen die Vogelspinne in beispielloser Detailliertheit. Heftige Strahlung und Sternwinde der massereichen Sterne in R136 haben eine große Blase in der zentralen Region des Nebels entfernt. Nur die dichtesten umliegenden Gebiete, in denen wahrscheinlich eigene Sternbabys leben, können diesem Ansturm standhalten. Da der Nebel nur 160.000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt – im kosmischen Maßstab nur ein Steinwurf – bietet die Vogelspinne Astronomen einen Nahblick auf die Bedingungen, denen sie bei der eingehenderen Erforschung des kosmischen Mittags begegnen werden.

In vielen Fällen ermöglichen Beobachtungen naher Objekte den Forschern, weiter entfernte Objekte besser zu verstehen. Planeten in unserem Sonnensystem fließen in Studien über Exowelten ein, ebenso wie die Sternentstehung in den Magellanschen Wolken Aufschluss über ähnliche Regionen im fernen Universum gibt. In ähnlicher Weise führt die Untersuchung interagierender Galaxien direkt zum ultimativen Ziel, die turbulenten frühen Tage des Kosmos zu verstehen.

Doch während nahegelegene Regionen oft als Analogien für ältere, weiter entfernte Umgebungen dienen können, wurde JWST entwickelt, um alte Galaxien, die zu Beginn des Kosmos entstanden sind, direkt zu beobachten – und Astronomen haben es genossen, diese Fähigkeit zu testen.

Eines der ersten Bilder von JWST – und das erste, das öffentlich veröffentlicht wurde – war ein Tieffeldfoto des Galaxienhaufens SMACS 0723 im südlichen Sternbild Volans. Die Belichtung dauerte 12,5 Stunden, verglichen mit Wochen für die verschiedenen Tiefenfelder von Hubble, und zeichnet Galaxien auf, die noch schwächer und weiter entfernt sind als Hubble sehen konnte.

Wir sehen SMACS 0723 so, wie es „nur“ vor 4,6 Milliarden Jahren erschien. Aber dank der riesigen Masse des Haufens, die als Gravitationslinse fungiert und Objekte dahinter vergrößert und verzerrt, können wir Galaxien sehen, die innerhalb einer Milliarde Jahre nach dem Urknall existierten. Wie zu erwarten ist, liegen die kleinsten Galaxien im Feld am weitesten entfernt. Interessanterweise sehen sie überhaupt nicht wie die ausgereifteren Spiral- und Ellipsengalaxien näher an der Erde aus. Aber die bisher vielleicht bedeutendsten Entdeckungen sind die beiden entferntesten Galaxien, die jemals gesehen wurden. Mithilfe des massiven Galaxienhaufens Abell 2744 in Sculptor als Gravitationslinse entdeckten Wissenschaftler zwei Inseluniversen, die nur 450 Millionen und 350 Millionen Jahre nach dem Urknall (der vor 13,8 Milliarden Jahren stattfand) existierten. Die Galaxien erscheinen außergewöhnlich hell und hätten wahrscheinlich erst 100 Millionen Jahre nach dem Urknall mit der Entstehung begonnen. Forscher wissen noch nicht, ob die Galaxien viele dunkle Sterne oder ein paar außergewöhnlich helle Sterne der Population III enthalten – hypothetische massereiche Sterne, die ausschließlich aus Wasserstoff und Helium bestanden und die ersten Sterne waren, die den Kosmos zierten.

Die Fahrt von JWST mit dieser Ariane-5-Rakete verlief so reibungslos, dass die NASA nun schätzt, dass das Observatorium über genügend Treibstoff verfügt, um mindestens 20 Jahre lang zu funktionieren. Das bedeutet, dass die Wissenschaft, Entdeckungen und wunderschönen Bilder gerade erst begonnen haben.