Folgendes wird das James-Webb-Weltraumteleskop als nächstes ins Visier nehmen

Die Welt kam letzte Woche in einer seltenen Demonstration internationaler Einheit zusammen, um voller Staunen die ersten wissenschaftlichen Bilder des James-Webb-Weltraumteleskops zu bestaunen. Jahrzehnte in der Entwicklung und das Ergebnis der Bemühungen von Tausenden von Menschen auf der ganzen Welt, wird das Teleskop die Astronomie revolutionieren, indem es uns ermöglicht, tiefer als je zuvor in den Kosmos zu blicken.

Webb hat den größten Spiegel, der jemals ins All geschossen wurde, sowie die größte Sonnenblende, und es ist das leistungsfähigste Weltraumteleskop, das jemals gebaut wurde. Die ersten Bilder sind nur ein Vorgeschmack darauf, was dieses bemerkenswerte Stück Technik zu leisten imstande ist. Um mehr darüber zu erfahren, welche zukünftige wissenschaftliche Forschung durch dieses Ungetüm ermöglicht wird, sprachen wir mit Mark McCaughrean, interdisziplinärer Webb-Wissenschaftler bei der Europäischen Weltraumorganisation.

McCaughrean wird einer der ersten Forscher sein, der Webb für seine Arbeit im Orionnebel nutzt, und er ist seit mehr als 20 Jahren an der Planung des Teleskops beteiligt. Er erzählte uns alles darüber, wie Webb die Grenzen der Astronomie erweitern und Entdeckungen ermöglichen wird, die wir uns noch nicht einmal ansatzweise vorstellen können.

Das Universum im Infrarot sehen

Als Astronomen in den 1980er Jahren begannen, sich Webb vorzustellen, hatten sie einen bestimmten Plan im Sinn: Sie wollten ein kosmologisches Forschungswerkzeug, um auf die frühesten Galaxien im Universum zurückzublicken.

Wissenschaftler wussten, dass diese frühen Galaxien da draußen waren und kurz davor waren, für uns zugänglich zu sein, weil das Hubble-Weltraumteleskop einige ziemlich frühe Galaxien beobachtet hatte. Beim Blick in die Wellenlänge des sichtbaren Lichts konnte Hubble Hunderte dieser Galaxien identifizieren, die innerhalb weniger hundert Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Aber diese Galaxien hatten sich bereits gebildet, und die Forscher wollten noch weiter zurückblicken, um zu sehen, wie sie sich tatsächlich bildeten.

Dazu brauchten sie ein Werkzeug, das über das sichtbare Licht hinaus in die Infrarotwellenlänge schauen konnte. Das liegt daran, dass die frühesten Galaxien sichtbares Licht ausstrahlten, genau wie heutige Galaxien. Aber das Universum dehnt sich mit der Zeit aus, und das bedeutet, dass sich die Galaxien, die wir am Himmel sehen, von uns entfernen. Je älter die Galaxie, desto weiter entfernt ist sie. Und diese Entfernung verursacht ein Phänomen namens Rotverschiebung.

Ähnlich wie beim Doppler-Effekt, bei dem Töne ihre wahrgenommene Tonhöhe ändern, wenn sich die Entfernung zwischen der Quelle und dem Betrachter ändert, ändert sich die Wellenlänge des Lichts, wenn sich seine Quelle von uns entfernt. Dieses Licht wird zum röteren Ende des Spektrums verschoben, daher der Name Rotverschiebung.

Die allerältesten Galaxien haben also Licht, das so stark rotverschoben ist, dass es nicht mehr als sichtbares Licht beobachtbar ist. Stattdessen ist es als Infrarot sichtbar – und das ist die Wellenlänge, in der Webb arbeitet.

Auf diese Weise ist Webb in der Lage, die allerersten Galaxien aufzuspüren und zu identifizieren. Wenn Webb eine Galaxie sehen kann, die hell im Infrarot leuchtet, aber für Teleskope, die hauptsächlich auf sichtbarem Licht basieren, wie Hubble, schwach oder unsichtbar ist, können die Forscher sicher sein, dass sie eine Galaxie gefunden haben, die extrem rotverschoben ist – was bedeutet, dass sie sehr stark rotverschoben ist weit entfernt und daher sehr alt.

Schon auf dem ersten Deep-Field-Bild von Webb sieht man einige sehr alte Galaxien. Der Galaxienhaufen, der im Fokus des Bildes steht, ist 4,6 Milliarden Jahre alt, aber aufgrund seiner Masse krümmt er die Raumzeit um ihn herum. Das bedeutet, dass Licht, das von Galaxien hinter diesem Haufen kommt, ebenfalls gebeugt wird, sodass der Haufen wie ein Vergrößerungsglas in einem Effekt wirkt, der Gravitationslinseneffekt genannt wird. Einige der Galaxien , die in diesem tiefen Feld zu sehen sind, sind etwa 13 Milliarden Jahre alt, was bedeutet, dass sie in den ersten Milliarden Jahren des Universums entstanden sind.

Erweitern, um mehr zu tun

Obwohl Webb ursprünglich als kosmologisches Werkzeug konzipiert war, wurde es bald zu weit mehr als dem erweitert.

Im Laufe der jahrzehntelangen Planung für Webb erkannten die Designer, dass das Werkzeug, das sie entwickelten, für weit mehr unterschiedliche Bereiche als nur die Kosmologie verwendet werden konnte. Sie fügten neue Instrumente wie MIRI hinzu, das eher im mittleren Infrarot als im nahen Infrarot arbeitet und für die Untersuchung der Sternen- und Planetenentstehung nützlicher ist als für die Kosmologie. Dieser Unterschied bringt seine eigene Herausforderung mit sich, da dieses Instrument andere Detektoren als die anderen Instrumente hat und einen eigenen Kühler benötigt. Aber zusammen mit anderen Instrumenten erweitert es die Möglichkeiten von Webb um eine ganze Reihe von Möglichkeiten.

„Der ursprüngliche Fokus des Teleskops lag viel mehr auf dem Universum mit hoher Rotverschiebung“, fasst McCaughrean zusammen. „Das war das höchste Ziel, diese ersten Sterne und Galaxien zu finden, die nach dem Urknall entstanden sind. Alles andere danach ist „nice to have“. Aber im Laufe des Projekts gelang es uns, daraus vier Themen zu machen: Kosmologie, Sternentstehung, Planetenwissenschaft und Galaxienentwicklung. Und wir haben dafür gesorgt, dass das Observatorium all das leisten kann.“

Kameras und Spektrographen

Webb hat vier Instrumente an Bord: die Near-Infrared Camera oder NIRCam, den Near-Infrared Spectrograph oder NIRSpec, den Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph oder NIRISS und das Mid-Infrared Instrument oder MIRI. Es gibt auch einen Sensor namens Fine Guidance Sensor (FGS), der hilft, das Teleskop in die richtige Richtung zu richten.

Die Instrumente sind eine Mischung aus Kameras und Spektrographen, also Instrumenten zum Aufteilen von Licht in verschiedene Wellenlängen, sodass Sie sehen können, welche Wellenlängen absorbiert wurden. Auf diese Weise können Sie sehen, woraus ein Objekt besteht, indem Sie das Licht betrachten, das es abgibt.

Während die Bilder der Kameras die größte öffentliche Aufmerksamkeit erregen, sind die Spektrographen als wissenschaftliches Werkzeug nicht zu unterschätzen. Etwa die Hälfte der derzeit zugewiesenen Beobachtungszeit ist der Spektroskopie gewidmet, beispielsweise für die Analyse der Zusammensetzung von Exoplanetenatmosphären. Das liegt zum Teil daran, dass es länger dauert, ein Spektrum eines Objekts aufzunehmen, als ein Bild davon aufzunehmen, und zum Teil daran, dass die Spektroskopie Dinge tun kann, die die Bildgebung nicht kann.

Kameras und Spektrographen arbeiten ebenfalls zusammen, da die bei der Bildgebung verwendeten Filter nützlich sind, um Objekte auszuwählen, die mit den Spektrographen untersucht werden sollen.

„Stellen Sie sich vor, Sie machen ein Tiefenfeld und nehmen mit NIRCam einige tiefe Bilder auf“, erklärte McCaughrean. „Dann verwendet man verschiedene Filter, um Kandidaten auszuwählen, weil es auf diesem Gebiet viel zu viele Dinge gibt, die man sich einzeln mit Spektroskopie ansehen muss. Sie brauchen also die Bildgebung, um die Kandidaten zu finden“, indem Sie beispielsweise die Farben in einem Bild betrachten, um zu entscheiden, dass ein bestimmtes Objekt beispielsweise eine Galaxie mit hoher Rotverschiebung und kein schwacher Stern in der Nähe ist.

In der Praxis wurde dies bereits mit Webbs erster Deep-Field-Aufnahme demonstriert. Die Aufnahmen wurden mit der NIRCam-Kamera gemacht, die in der Lage war, eine große Anzahl von nahen und fernen Galaxien in einem atemberaubenden Bild aufzunehmen. Dann wurden bestimmte Ziele, wie eine über 13 Milliarden Jahre alte Galaxie , ausgewählt und mit dem NIRSpec-Spektrographen beobachtet, um Daten über die Zusammensetzung und Temperatur dieser frühen Galaxie zu sammeln.

"Es ist so ein schönes, sauberes Spektrum", sagte McCaughrean. „So etwas hat noch nie jemand von irgendwoher gesehen. Wir wissen jetzt also, dass diese Maschine unglaublich kraftvoll arbeitet.“

Mehrere Modi

Um die vollen Möglichkeiten von Webb zu verstehen, sollten Sie wissen, dass die vier Instrumente nicht jeweils nur einen Modus haben – sie können auf verschiedene Weise verwendet werden, um verschiedene Ziele zu betrachten. Insgesamt gibt es zwischen den vier Instrumenten 17 Modi , von denen jeder getestet und verifiziert werden musste, bevor das Teleskop für den wissenschaftlichen Betrieb bereit erklärt wurde.

Nehmen Sie zum Beispiel das NIRSpec-Instrument. Es kann verschiedene Arten von Spektroskopie durchführen, einschließlich Festspaltspektroskopie, die ein hochempfindlicher Modus zur Untersuchung einzelner Ziele ist (z. B. Analyse des Lichts, das von verschmelzenden Neutronensternen, Kilonova genannt, abgegeben wird), oder Feldgerätespektroskopie, die Spektren für untersucht mehrere Pixel über einen kleinen Bereich, um kontextbezogene Informationen über ein Ziel zu erhalten (wie das Betrachten einer extrem entfernten Galaxie, die durch Gravitationslinsen verzerrt wurde).

Die dritte Art der Spektroskopie, die NIRSpec durchführt, ist etwas ganz Besonderes, das als Multi-Objekt-Spektroskopie bezeichnet wird. Es verwendet winzige fensterartige Fensterläden, die in einem Format angeordnet sind, das als Mikroverschluss-Array bezeichnet wird. „Das sind im Grunde kleine Geräte mit einem Durchmesser von ein paar Zentimetern, von denen wir vier haben. In jedem dieser Geräte gibt es 65.000 kleine einzelne Fensterläden“, sagte McCaughrean.

Jede dieser Blenden kann einzeln gesteuert werden, um sich zu öffnen oder zu schließen, sodass die Forscher auswählen können, welche Teile eines Feldes sie betrachten. Um diese Mikroverschlüsse zu verwenden, nehmen die Forscher zunächst ein Bild mit einem anderen Instrument wie NIRCam auf, um die interessierenden Objekte auszuwählen. Dann befehlen sie den Fensterläden, die diesen interessanten Objekten entsprechen, sich zu öffnen, während die anderen geschlossen bleiben.

Dadurch kann das Licht von den Zielen, wie z. B. bestimmten Galaxien, auf die Detektoren des Teleskops scheinen, ohne dass Licht aus dem Hintergrund ebenfalls durchdringt. „Indem man nur die Tür öffnet, wo sich die Galaxie befindet, und alle anderen Türen schließt, wird das Licht, wenn es von diesem Objekt durchkommt, in einem Spektrum gespreizt, und das ganze andere Licht kommt nicht durch“, sagte McCaughrean . „Das macht es empfindlicher.“

Diese Multi-Objekt-Spektroskopie kann verwendet werden, um bestimmte Galaxien in Deep-Field-Bildern zu betrachten, was besonders nützlich ist, um die frühesten Galaxien zu untersuchen, die stark rotverschoben sind. Und diese Methode ist in der Lage, Spektren von bis zu 100 Objekten gleichzeitig zu erhalten – was sie zu einer sehr effizienten Art der Datenerfassung macht.

Umgang mit zu viel Licht

Wie die Mikroverschlüsse zeigen, ist ein kniffliger Teil der Arbeit mit hochempfindlichen Instrumenten der Umgang mit zu viel Licht. Nehmen Sie die Arbeit, die James Webb in den ersten Betriebsmonaten auf Jupiter leisten wird – es ist tatsächlich sehr schwierig, sich die Ringe und Monde um Jupiter vorzustellen, weil der Planet selbst so hell ist. Wenn sich das schwache Objekt, das Sie zu beobachten versuchen, neben einem sehr hellen befindet, kann es Ihre Messwerte übertönen, sodass Sie nur das Licht des helleren Objekts sehen.

Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn Sie versuchen, entfernte Exoplaneten zu beobachten, die im Vergleich zu den Sternen, die sie umkreisen, sehr dunkel sind. Um mit dieser Herausforderung fertig zu werden, hat James Webb einen weiteren Trick im Ärmel, der Koronographie genannt wird.

Sowohl NIRCam als auch MIRI verfügen über Koronographiemodi, deren einfachste Form darin besteht, eine kleine Metallscheibe vor dem hellen Objekt zu platzieren, um dessen Licht auszublenden. Dann können Sie die anderen, dunkleren Lichtquellen um ihn herum leichter beobachten. Aber dieser Ansatz hat seine Grenzen: Bewegt sich das helle Objekt hinter der Scheibe herum, kann sein Licht über die Ränder schwappen und die Beobachtungen ruinieren. Sie könnten die Scheibe kleiner machen, sodass sie nur den hellsten Punkt des Objekts ausblendet, aber dann hätten Sie immer noch viel überschüssiges Licht, mit dem Sie fertig werden müssten. Sie könnten die Scheibe vergrößern, aber dann würde sie andere Objekte blockieren, die sich in der Nähe des hellen Objekts befinden.

Es gibt also eine andere Form dieses Koronographiemodus, die Hardware verwendet, die als Vier-Quadranten-Phasenmaske bezeichnet wird. „Das ist ein sehr cleveres Stück Optik“, sagte McCaughrean. „Es hat keine Metallscheibe, aber es hat vier verschiedene Glasstücke, die dem einfallenden Licht unterschiedliche Phasen verleihen. Wenn wir Licht als Welle und nicht als Photonen betrachten, hat Licht eine Phase. Wenn Sie die helle Quelle genau auf das Kreuz stellen, wo sich diese vier verschiedenen Phasenplatten treffen, können Sie es so ausrechnen, dass das Licht aufgrund des Welleninterferenzeffekts tatsächlich vom Stern ausgelöscht wird.“

Das heißt, wenn Sie es genau richtig ausrichten, sodass sich das helle Objekt genau in der Mitte dieser Quadranten befindet, wird das Licht des Sterns ausgelöscht, aber das Licht anderer Objekte wie Planeten ist immer noch sichtbar. Das macht es ideal für die Beobachtung von Exoplaneten, die in der Nähe ihrer Wirtssterne kreisen, die sonst möglicherweise nicht zu sehen wären.

Zeit nutzen

Eine weitere Möglichkeit, mit einer Mischung aus hellen und dunklen Objekten umzugehen, besteht darin, im Laufe der Zeit mehrere Messungen vorzunehmen. Im Gegensatz zu so etwas wie Ihrem Telefon, das ein Bild aufnimmt und sich dann sofort zurücksetzt, können die Detektoren in Webb mehrere Messungen ohne Zurücksetzen vornehmen.

„So können wir im Laufe der Zeit mit demselben Detektor eine Reihe von Bildern aufnehmen, während er das Licht der schwachen Quellen aufbaut“, erklärt McCaughrean. „Aber wenn wir uns die Daten ansehen, können wir die ersten Bilder für die hellen Quellen verwenden, bevor sie gesättigt sind, und dann weiter Licht von den schwachen Quellen aufbauen und die Empfindlichkeit erhalten. Es erweitert effektiv den Dynamikbereich, indem es die Detektoren mehrfach ausliest.“

Ein anderer Modus, in dem die Instrumente betrieben werden können, heißt Zeitreihenbeobachtungen, bei denen im Grunde nur viele Messungen nacheinander durchgeführt werden, um Objekte zu erfassen, die sich im Laufe der Zeit ändern. Das ist nützlich, um Objekte einzufangen, die blitzen, wie pulsierende Neutronensterne, Magnetare genannt, oder um Exoplaneten zu betrachten, die sich in einer Bewegung, die als Transit bezeichnet wird, über das Gesicht ihres Wirtssterns bewegen.

„Wenn ein Planet vor dem Stern vorbeizieht, möchten Sie ihn sowohl an den Rändern des Transits als auch in der Mitte des Transits einfangen“, sagte McCaughrean. "Also beobachtest du es einfach weiter und nimmst weiterhin Daten auf."

Eine Herausforderung bei dieser Methode besteht darin, dass das Teleskop in nahezu perfekter Ausrichtung bleiben muss, denn wenn es sich auch nur geringfügig bewegt, würde es Rauschen in die Daten einbringen. Die gute Nachricht ist jedoch, dass das Teleskop dank des Feinführungssensors, der nahe Sterne erfasst und sich an Störungen wie Sonnenwind anpasst, sehr gut darin ist, auf ein Objekt zu zeigen und an Ort und Stelle zu bleiben.

Herausforderungen bei der Arbeit mit Webb

Wie bei jeder Technologie gibt es Einschränkungen bei den Möglichkeiten von Webb. Eine der großen praktischen Einschränkungen für Wissenschaftler, die Webb verwenden, ist die Datenmenge, die sie vom Teleskop sammeln können. Im Gegensatz zu Hubble, das die Erde umkreist, umkreist Webb die Sonne an einer Position namens L2 .

Das ist etwa 1 Million Meilen von der Erde entfernt, daher ist Webb mit einer leistungsstarken Funkantenne ausgestattet, die Daten mit einer Geschwindigkeit von 28 Megabit pro Sekunde zur Erde zurücksenden kann. Das ist ziemlich beeindruckend – wie McCaughrean betonte, ist es wesentlich schneller als das Wi-Fi in seinem Hotel, mit dem wir uns sogar über eine viel größere Entfernung unterhalten haben – aber es ist nicht annähernd die Gesamtdatenmenge, die die Instrumente aufnehmen können pro Sekunde.

Das Observatorium verfügt über einen kleinen Festkörperspeicher von etwa 60 GB , der Daten für kurze Zeit aufzeichnen kann, wenn die Instrumente mehr Daten sammeln, als zurückgesendet werden können, und als Puffer dient. Das klingt vielleicht nicht nach viel im Vergleich zu der Art von Speicher, die Sie normalerweise in einem Telefon oder Laptop erhalten, aber die Anforderungen an Hardware, die strahlungssicher ist und jahrzehntelangem Gebrauch standhält, sind ziemlich unterschiedlich.

Diese Einschränkung bedeutet, dass Forscher selektiv auswählen müssen, welche Daten sie in Downlinks vom Teleskop priorisieren, und nur die wichtigsten Daten für ihre Bedürfnisse auswählen. Sie fragen sich vielleicht, warum Webb in diesem Fall nicht näher an der Erde positioniert ist, aber die L2-Umlaufbahn ist für seine Funktionsweise unerlässlich – und der Grund liegt in den Temperaturen.

„Die Leute denken, der Weltraum ist kalt, na ja, nicht, wenn man sich neben einem großen Objekt befindet, das einen jeden Tag aufheizt, wie die Erde oder die Sonne“, sagte McCaughrean. „Wenn Sie also ins Infrarot schauen möchten, müssen Sie sicherstellen, dass Ihr Teleskop unglaublich kalt ist, damit es nicht bei den Wellenlängen emittiert, die Sie zu erkennen versuchen.“ Aus diesem Grund hat Webb einen enormen Sonnenschutz, um ihn kühl zu halten, und deshalb befindet er sich auf L2, sodass der Sonnenschutz die Wärme sowohl von der Sonne als auch von der Erde blockieren kann.

„Wir haben ein Observatorium gebaut, das auf L2 sein muss, es muss dort sein, um kalt zu werden, damit es diese Wissenschaft liefern kann. Und weil es sich um L2 handelt, haben wir nur eine bestimmte Bandbreite“, erklärte McCaughrean. „So etwas wie ein kostenloses Mittagessen gibt es nicht, sagen wir mal so.“

Die Gemeinde entscheidet

Das erste Jahr der Webb-Beobachtungen wird sorgfältig geplant. In den ersten fünf Monaten des wissenschaftlichen Betriebs wird es an frühen wissenschaftlichen Programmen arbeiten, die darauf ausgelegt sind, die Grenzen der Webb-Hardware zu erweitern und zu sehen, wozu sie in der Lage ist. Innerhalb seines ersten Jahres wird es an Programmen arbeiten, die für Zyklus 1 ausgewählt wurden, einschließlich der Erforschung von Exoplaneten, Schwarzen Löchern, Deep Fields und mehr.

Darüber hinaus ist die zukünftige Arbeit mit Webb jedoch weitgehend offen. Forscher reichen Vorschläge ein, welche Daten sie mit Webb sammeln möchten, und diese Vorschläge werden einem Peer-Review unterzogen, um diejenigen auszuwählen, die wissenschaftlich am interessantesten sind. „Die Gemeinde entscheidet, was mit dem Observatorium gemacht wird“, sagte McCaughrean.

Diese Beteiligung der Gemeinschaft hat die Art und Weise, wie Webb verwendet wird, bereits verändert – zum Beispiel beansprucht die Exoplanetenforschung derzeit etwa ein Drittel der verfügbaren Beobachtungszeit in der ersten Forschungsrunde. Als McCaughrean und seine Kollegen in den frühen 2000er Jahren planten, wie Webb verwendet werden könnte, hätten sie nicht gedacht, dass auch nur annähernd so viel Exoplanetenforschung betrieben werden würde, weil zu dieser Zeit so wenige Exoplaneten entdeckt worden waren.

Dies unterscheidet Webb von Missionen mit einem sehr spezifischen Zweck, wie dem Gaia-Observatorium der ESA, das speziell für die Erstellung einer 3D-Karte der Galaxie entwickelt wurde, und eher von Hubble, das für viele Forschungsanforderungen entwickelt wurde. „Es ist definitiv ein Allzweck-Observatorium“, sagte McCaughrean. „Man muss sich nur Hubble ansehen und wie es sich im Laufe der Jahre entwickelt hat. Teilweise durch die Einführung neuer Instrumente, aber hauptsächlich durch die Entscheidung der wissenschaftlichen Gemeinschaft, dass es unterschiedliche Prioritäten und unterschiedliche Bereiche gibt, die erledigt werden müssen.“

Diese Flexibilität ist möglich, weil Webb so konzipiert ist, dass es für die Forschung in einer ganzen Reihe von Bereichen nützlich ist – einschließlich Anwendungen, an die wir noch nicht gedacht haben. Webb wird voraussichtlich mindestens 20 Jahre halten, und wir haben gerade erst begonnen zu erforschen, was es in dieser Zeit tun könnte.

„Das ist das Spannende. Wenn Sie ein sehr leistungsfähiges, sehr leistungsfähiges Allzweck-Observatorium bauen, ist es in vielerlei Hinsicht nur durch die Kreativität der Gemeinschaft begrenzt“, sagte McCaughrean. „Webb ist das, was wir jetzt daraus machen.“