Die NASA plant, die ersten Bilder des James Webb Space Telescope (JWST) am 12. Juli 2022 zu veröffentlichen. Sie werden den Beginn der nächsten Ära in der Astronomie markieren, da Webb – das größte jemals gebaute Weltraumteleskop – damit beginnen wird, wissenschaftliche Daten zu sammeln, die helfen werden, Fragen über die frühesten Momente der Existenz des Universums zu beantworten und es Astronomen ermöglichen, Exoplaneten detaillierter zu untersuchen als je zuvor. Aber es dauerte fast acht Monate, um sicherzustellen, dass dieses äußerst wertvolle Teleskop für die Hauptsendezeit bereit war.
Das mächtigste Platz Sobald das Teleskop im Orbit ist, wird es weiter in den Weltraum – und damit weiter in die Zeit zurück – blicken als jede frühere Technologie, sodass Astronomen Bedingungen sehen können, die kurz nach dem Urknall herrschten.
Wo fängt alles für das Teleskop der NASA an?
In unserer Milchstraße wird das Teleskop Welten außerhalb des Sonnensystems – extrasolare Planeten oder Exoplaneten – erforschen, indem es ihre Atmosphäre auf verräterische Lebenszeichen wie organische Moleküle und Wasser untersucht.
Nach dem erfolgreichen Start des James-Webb-Teleskops am 25. Dezember 2021 begann das Team mit dem langen Prozess, es in seine endgültige Orbitalposition zu bringen, das Teleskop zu zerlegen und nach dem Abkühlen die Kameras und Sensoren an Bord zu kalibrieren. Der Start verlief reibungslos. Eines der ersten Dinge, die NASA-Wissenschaftlern auffiel, war, dass das Teleskop mehr Treibstoff an Bord hatte, als für zukünftige Anpassungen seiner Umlaufbahn erwartet wurde. Dies würde es Webb ermöglichen, viel länger als das ursprüngliche 10-Jahres-Ziel der Mission zu operieren.
Die erste Aufgabe auf Webbs Mondreise zu seinem endgültigen Standort im Orbit bestand darin, das Teleskop einzusetzen. Es verlief reibungslos, angefangen mit dem Aufstellen der Sonnenblende, die zur Kühlung des Teleskops beiträgt. Dann gab es die Ausrichtung der Spiegel und die Aufnahme von Sensoren. Die Kameras auf Webby kühlten ab, genau wie die Ingenieure es vorhergesagt hatten, und das erste Instrument, das das Team einschaltete, war die Nahinfrarotkamera oder NIRCam. NIRCam wurde entwickelt, um das schwache Infrarotlicht zu untersuchen, das von den ältesten Sternen oder Galaxien im Universum ausgestrahlt wird. Aber wie weiter?
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Das frühe Universum im Infrarotbereich
Da Licht eine begrenzte Zeit benötigt, um durch den Weltraum zu reisen, blicken Astronomen tatsächlich in die Vergangenheit, wenn sie Objekte betrachten. Licht von der Sonne braucht etwa sieben Minuten, um die Erde zu erreichen. Wenn wir also auf die Sonne schauen, sehen wir sie so, wie sie vor sieben Minuten war.
Wir sehen ferne Objekte, wie sie vor Jahrhunderten oder Jahrtausenden aussahen, und wir beobachten die entferntesten Objekte und Galaxien noch vor der Entstehung der Erde, und wenn wir sie sehen, können sie grundlegend verändert oder sogar zerstört sein.
JWST ist so leistungsfähig, dass es in der Lage sein wird, das Universum so zu beobachten, wie es vor etwa 13,6 Milliarden Jahren existierte, 200 Millionen Jahre nach der Periode der anfänglichen schnellen Inflation, die wir Urknall nennen. Dies ist die älteste Vergangenheit, in die die Menschheit jemals geschaut hat. Was JWST zu einem so leistungsstarken Werkzeug für die Abbildung des frühen Universums macht, ist, dass es seine Beobachtungen im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums durchführt.
Wenn Licht von diesen fernen Quellen zu uns gelangt, dehnt die sich beschleunigende Expansion des Universums dieses Licht aus. Das bedeutet, dass das Licht dieser frühen Sterne und Galaxien zwar dem von nahen Sternen und Galaxien ähnelt, seine Wellenlänge jedoch in den infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums "verschoben" wird.
Die entferntesten und ältesten Galaxien
Eine Möglichkeit, wie das Observatorium frühe Galaxien identifizieren wird, ist die Beobachtung der sechs am weitesten entfernten und hellsten Quasare. Quasare befinden sich im Zentrum aktiver galaktischer Kerne (AGN) und werden von supermassiven Schwarzen Löchern gespeist. Sie sind oft heller als die Strahlung aller Sterne in der Galaxie, in der sie sich befinden, zusammen.
Die vom JWST-Team ausgewählten Quasare gehören zu den hellsten, was bedeutet, dass die Schwarzen Löcher, die sie speisen, auch die stärksten sind und Gas und Staub mit der höchsten Rate verbrauchen – oder vielmehr ansammeln. Sie erzeugen enorme Energiemengen, die das umgebende Gas erhitzen und nach außen drücken, wodurch mächtige Jets entstehen, die durch Galaxien in den interstellaren Raum schießen.
Zusätzlich zur Verwendung von Quasaren, die einen spürbaren Einfluss auf die umgebenden Galaxien haben, um ihre Entwicklung zu verstehen, werden JWST-Forscher Quasare auch verwenden, um eine Periode in der Geschichte des Universums zu untersuchen, die als Ära der Reionisierung bezeichnet wird. Es war der Moment, in dem das Universum am transparentesten wurde und Licht frei reisen ließ. Dies geschah, weil das neutrale Gas im intergalaktischen Medium aufgeladen oder ionisiert wurde.
JWST wird dies untersuchen, indem es helle Quasare als Hintergrundlichtquellen verwendet, um das Gas zwischen uns und dem Quasar zu untersuchen. Durch die Beobachtung, welches Licht vom interstellaren Gas absorbiert wird, können die Forscher bestimmen, ob das interstellare Gas neutral oder ionisiert ist.
100 Galaxien auf einmal
Eines der Instrumente, mit denen JWST das Universum beobachten wird, ist der Near Infrared Spectrograph (NIRSpec). Dieses Instrument wird keine visuell beeindruckenden Bilder der Galaxien erzeugen, die es beobachtet, wie das Weitwinkelbild von Tausenden von Galaxien, das vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurde (siehe Abbildung unten). Stattdessen wird es wichtige spektrografische Informationen über diese Galaxien liefern, sodass viele von ihnen auf einmal gesehen werden können.
Die Spektren dieser Galaxien enthalten viele Informationen, insbesondere über die chemische Zusammensetzung. Durch die Untersuchung dieser Zusammensetzungen werden die Forscher sehen, wie schnell Galaxien ihre Gaszusammensetzung in Sterne umwandeln können, und so die Entwicklung des Universums besser verstehen.
Um dies mit der erforderlichen Genauigkeit zu tun, muss eine große Menge Licht blockiert werden, und dies bedeutet normalerweise, jeweils ein Objekt zu untersuchen. Einige der Objekte, die JWST untersuchen will, sind so weit entfernt, dass ihr Licht unglaublich schwach ist, was bedeutet, dass sie Hunderte von Stunden lang beobachtet werden müssen, um genügend Daten zu sammeln, um ein spektrales Bild zu erstellen.
Glücklicherweise ist NIRSpec mit einer Viertelmillion einzelner Fenster mit Mikroverschlüssen in der Größe eines menschlichen Haares ausgestattet, die in einem Wafermuster angeordnet sind. Das bedeutet, dass JWST durch Anpassung des Musters dieser Jalousien in der Lage sein wird, eine große Anzahl von Objekten in einer Ansicht zur gleichzeitigen Beobachtung zu beobachten, und es ist für jedes Feld von Objekten am Himmel programmierbar. Nach Schätzungen der NASA wird NIRSpec dadurch Spektren von 100 Observatorien gleichzeitig sammeln können, was kein anderes Spektroskop zuvor konnte.
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Jupitergroße Exoplaneten
Seit Mitte der 1990er Jahre und der Entdeckung eines Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist, hat sich unser Exoplanetenkatalog auf über 4 bestätigte Welten erweitert. Die meisten dieser Welten, einschließlich des Exoplaneten 51 Pegasi b, der 1995 vom Schweizer Team von Michel Maior und Didier Calo entdeckt wurde, sind heiße Jupiter. Diese Exoplaneten umkreisen ihre Sterne in unmittelbarer Nähe und vollenden in der Regel eine Umdrehung in wenigen Stunden, wodurch sie mit Exoplaneten-Beobachtungstechniken leicht zu erkennen sind.
Diese Welten sind oft durch Gezeiten an ihren Stern gebunden, was bedeutet, dass eine Seite, die Seite des ewigen Tages, sehr heiß ist. Ein bemerkenswertes Beispiel für eine solche Welt ist WASP-121b, das kürzlich von der Spektralkamera an Bord von Hubble beobachtet wurde. Etwas größer als Jupiter in unserem Sonnensystem, verdampfen Eisen und Aluminium auf der Tagseite dieses Planeten, und dieser Dampf wird durch Überschallwinde zur Nachtseite getragen. Wenn diese Elemente abkühlen, fallen sie als metallischer Regen aus, mit der Möglichkeit, dass sich ein Teil des Aluminiums mit anderen Elementen verbindet und als flüssige Rubin- und Saphirschauer ausfällt.
Die Nähe dieser Riesenplaneten zu ihrem Mutterstern kann dazu führen, dass Gezeitenkräfte ihnen die Form eines Rugbyballs verleihen. Was ist mit dem Exoplaneten WASP-103b passiert? Ein Teil der Rolle des JWST von seiner Position eine Million Kilometer von der Erde entfernt wird darin bestehen, die Umgebungen und Atmosphären dieser aggressiven Planeten zu untersuchen.
Super-Erden
Eine weitere Kategorie von Exoplaneten, die das Weltraumteleskop zur Beobachtung nutzen wird, sind die sogenannten Supererden. Dies sind Welten, die 10-mal massiver als die Erde sein können, aber leichter als Eisriesen wie Neptun oder Uranus.
Super-Erden müssen nicht unbedingt felsig sein, wie unser Planet, sondern können aus Gas oder sogar einem Gemisch aus Gas und Gestein bestehen. Die NASA sagt, dass es im Bereich von 3 bis 10 Erdmassen eine Vielzahl von Planetenzusammensetzungen geben kann, einschließlich Wasserwelten, Schneeballplaneten oder Planeten, die wie Neptun hauptsächlich aus dichtem Gas bestehen.
Die ersten beiden Supererden, die unter das Radar des JWST der NASA kommen, werden die mit Lava bedeckte 55 Cancri e sein, die ein 41 Lichtjahre entfernter Felsplanet zu sein scheint, und LHS 3844b, die doppelt so groß wie die Erde ist und es scheint haben eine felsige Oberfläche, ähnlich dem Mond, aber ohne nennenswerte Atmosphäre.
Beide Welten scheinen für das Leben, wie wir es kennen, ziemlich ungeeignet zu sein, aber andere Exoplaneten an verschiedenen Orten in der Milchstraße, die von JWST untersucht werden, könnten vielversprechender sein.
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TRAPPIST-1-System
Während des ersten Betriebszyklus wird das Teleskop das 1 Lichtjahre von der Erde entfernte TRAPPIST-41-System genau untersuchen. Was dieses 2017 entdeckte Planetensystem so ungewöhnlich macht, ist die Tatsache, dass seine sieben Gesteinswelten in der Aktivitätszone ihres Sterns existieren, was es zur größten potenziell bewohnbaren Erdwelt macht, die jemals entdeckt wurde.
Astronomen definieren die bewohnbare Zone um einen Stern als die Region, in der die Temperatur flüssiges Wasser erlaubt. Da diese Region für flüssiges Wasser weder zu heiß noch zu kalt ist, wird sie oft als Goldilocks-Zone bezeichnet.
In dieser Zone zu sein bedeutet jedoch nicht, dass der Planet bewohnbar ist. Sowohl die Venus als auch der Mars befinden sich innerhalb der Zone um die Sonne, und keiner der Planeten kann das Leben, wie wir es verstehen, aufgrund unterschiedlicher Bedingungen bequem unterstützen. Die Planetary Society schlägt vor, dass andere Faktoren wie die Stärke des Sonnenwinds, die Dichte des Planeten, das Vorherrschen großer Monde, die Ausrichtung der Umlaufbahn des Planeten und die Rotation des Planeten (oder deren offensichtliches Fehlen) Schlüsselfaktoren sein könnten für Bewohnbarkeit.
Organische Moleküle und planetare Geburt
Einer der Vorteile der Infrarot-Durchmusterung des Universums durch das JWST der NASA ist die Möglichkeit, in dichte und massive Wolken aus interstellarem Gas und Staub zu blicken. Obwohl dies nicht sehr aufregend klingen mag, wird die Aussicht viel attraktiver, wenn man bedenkt, dass dies die Orte sind, an denen Sterne und Planeten geboren werden und die als Sternenkindergärten bezeichnet werden.
Diese Bereiche des Weltraums können im sichtbaren Lichtspektrum nicht beobachtet werden, da sie durch den Staubgehalt undurchsichtig sind. Dieser Staub ermöglicht jedoch die Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich. Das bedeutet, dass JWST in der Lage sein wird, die dichten Regionen dieser Gas- und Staubwolken zu untersuchen, während sie kollabieren und Sterne bilden.
Darüber hinaus wird das Weltraumteleskop auch in der Lage sein, die Staub- und Gasscheiben zu untersuchen, die junge Sterne umgeben und Planeten hervorbringen. Es könnte nicht nur zeigen, wie sich Planeten wie die im Sonnensystem, einschließlich der Erde, bilden, sondern auch, wie die lebenswichtigen organischen Moleküle innerhalb dieser protoplanetaren Scheiben verteilt sind.
Und es gibt eine stellare Kinderstube, an der Forscher arbeiten werden, die Zeit haben, insbesondere JWST zu beobachten.
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Säulen der Schöpfung
Die Säulen der Schöpfung sind eine der hellsten und schönsten kosmischen Sehenswürdigkeiten, die jemals von der Menschheit dargestellt wurden. Das Hubble-Weltraumteleskop, das die wunderschönen Bilder der Säulen der Schöpfung (unten abgebildet) aufgenommen hat, konnte tief in diese Lichtjahre hohen Türme aus Gas und Staub blicken.
Die undurchsichtigen Säulen – die Säulen der Schöpfung – befinden sich im Adlernebel und 6500 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Schlange und sind Orte intensiver Sternentstehung. Um Details über die Prozesse der Sternentstehung im Inneren der Säulen zu sammeln, beobachtete Hubble sie im optischen und infraroten Licht.
Infrarotlicht ist notwendig, um die Prozesse innerhalb der Säulen der Schöpfung zu beobachten, da sichtbares Licht, wie bei anderen Krippen, den dichten Staub dieses Emissionsnebels nicht durchdringen kann.
Hubble ist für sichtbares Licht optimiert, aber es gelang ihm dennoch, atemberaubende Infrarotbilder der Säulen aufzunehmen, die einige der jungen Sterne zeigen, die in ihnen leben. Das war es, was das JWST-Team begeisterte – ihr leistungsstarkes Infrarot-Weltraumteleskop würde diese faszinierende Region des Weltraums enthüllen.
Jupiter, seine Ringe und Monde
Eines der Ziele des Weltraumteleskops im Sonnensystem wird der größte Planet sein, der Gasriese Jupiter. Laut NASA hat ein Team von mehr als 40 Forschern ein Beobachtungsprogramm entwickelt, das Jupiter, sein Ringsystem und seine beiden Monde Ganymed und Io untersuchen wird. Dies wird eine der ersten Teleskopdurchmusterungen im Sonnensystem sein, die es erfordert, dass es gegen die Helligkeit des Gasriesen kalibriert wird und gleichzeitig sein viel dunkleres Ringsystem beobachten kann.
Das JWST-Team, das Jupiter beobachten wird, muss auch den 10-Stunden-Tag des Planeten berücksichtigen. Dazu müssten separate Bilder "zusammengefügt" werden, um eine bestimmte Region des fünften Planeten zu untersuchen, die sich schnell von der Sonne entfernt umkreist, wie der Große Rote Fleck - der größte Sturm im Sonnensystem, tief und breit genug, um die gesamte Erde zu verschlingen .
Astronomen werden versuchen, den Grund für Schwankungen in der Temperatur der Atmosphäre über dem Großen Roten Fleck, die Eigenschaften von Jupiters außergewöhnlich schwachen Ringen und das Vorhandensein eines flüssigen Ozeans aus Salzwasser unter der Oberfläche von Jupiters Mond Ganymed besser zu verstehen.
Asteroiden und erdnahe Objekte
Eine der anderen wichtigen Rollen, die JWST im Sonnensystem spielen wird, ist die Untersuchung von Asteroiden und anderen kleineren Körpern des Systems im Infrarotbereich. Die Studie wird das umfassen, was die NASA als Near-Earth Objects (NEOs) klassifiziert, das sind Kometen und Asteroiden, die durch die Anziehungskraft naher Planeten in Umlaufbahnen gestoßen wurden, die es ihnen ermöglichen, in die Nachbarschaft der Erde einzudringen.
JWST wird Beobachtungen von Asteroiden und NEOs im Infrarotbereich durchführen, was aus der Erdatmosphäre mit bodengestützten Teleskopen oder weniger leistungsstarken weltraumgestützten Teleskopen nicht möglich ist. Der Zweck dieser Asteroidenbewertungen wird es sein, die Absorption und Emission von Licht von der Oberfläche dieser Körper zu untersuchen, was helfen sollte, ihre Zusammensetzung besser zu verstehen. JWST wird es Astronomen auch ermöglichen, die Formen von Asteroiden, ihren Staubgehalt und die Art und Weise, wie sie Gas abgeben, besser zu klassifizieren.
Die Untersuchung von Asteroiden ist für Wissenschaftler, die versuchen, die Geburt des Sonnensystems und seiner Planeten vor 4,5 Milliarden Jahren zu verstehen, von entscheidender Bedeutung. Dies liegt daran, dass sie aus "unverdorbenen" Materialien bestehen, die existierten, als sich die Planeten bildeten, die der Schwerkraft kleinerer planetenbildender Körper entgingen.
Neben der Untersuchung der Geburt von Planeten, Sternen und den frühen Momenten von Galaxien selbst zeigt diese Mission einmal mehr, wie JWST einige der grundlegendsten Rätsel der Wissenschaft lösen wird.
Was kommt als nächstes?
Ab dem 15. Juni 2022 sind alle NASA-Webb-Instrumente hochgefahren und die ersten Bilder wurden aufgenommen. Darüber hinaus wurden vier Bildgebungsmodi, drei Zeitreihenmodi und drei spektroskopische Modi getestet und zertifiziert, sodass nur noch drei verbleiben. Wie bereits erwähnt, plant die NASA am 12. Juli die Veröffentlichung einer Reihe von Teaser-Beobachtungen, die Webbs Fähigkeiten veranschaulichen. Sie werden die Schönheit der Bilder des Weltraums zeigen und den Astronomen eine Vorstellung von der Qualität der Daten geben, die sie erhalten werden.
Nach dem 12. Juli wird das James-Webb-Weltraumteleskop mit der vollen Arbeit an seiner wissenschaftlichen Mission beginnen. Der detaillierte Zeitplan für das nächste Jahr wurde noch nicht veröffentlicht, aber Astronomen auf der ganzen Welt warten gespannt auf die ersten Daten des leistungsstärksten Weltraumteleskops, das jemals gebaut wurde.
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