James Webb: Soviel Technologie steckt im Teleskop der Superlative

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das empfindlichste Sternenobservatorium der Welt. Dafür brauchte es einen ungeheuren technologischen Aufwand. Ein Überblick.

Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWWT) ist das leistungsfähigste Weltraumobservatorium, das der Menschheit je zur Verfügung stand. Es ist rund 100-mal empfindlicher als das bisher führende Hubble-Teleskop und kann Infrarotlicht aufzeichnen, das vor 13,5 Milliarden Jahren, kurz nach dem Urknall, entstanden ist. Das rund 10 Milliarden US-Dollar teure Teleskop bietet unter anderem also erstmals die Gelegenheit, dem Entstehen der ersten Sterne und Galaxien zuzusehen. Das JWWT wurde 20 Jahre lang entwickelt.

Um die uralten Spuren der Geburt des Universums aufspüren zu können, muss das JWWT unglaublich empfindlich sein: Laut Nasa wäre es in der Lage, die Wärmesignatur einer Hummel über eine Entfernung von rund 400.000 Kilometern aufzuspüren – das entspricht der Entfernung vom Mond zur Erde. Wie das dem JWWT gelingt und welchen Aufwand die Forscher betreiben müssen, um es von Störeinflüssen fernzuhalten?

Das James-Webb-Weltraumteleskop im Überblick

Die gesamte Apparatur wiegt rund sechs Tonnen. Das größte Teil daran ist das Sonnenschutzschild. Es ist etwa so groß wie ein Tennisplatz (21 mal 14 Meter) und besteht aus fünflagigem, metallbeschichtetem Plastik. Das Sonnenschutzschild stellt sicher, dass das Teleskop selbst nicht durch die Sonnenstrahlung oder reflektierte Strahlung von Erde oder Mond erwärmt wird.

Das Teleskop darf sich nicht weiter als 40 Kelvin (rund -233 C°) erwärmen, damit die Aufnahmen nicht beeinflusst werden. Die warme Seite des Sonnenschilds kann sich dagegen auf bis zu 125 Grad Celsius aufheizen. Wäre das Sonnenschild eine Sonnencreme, böte er somit einen Lichtschutzfaktor von einer Million.

Eines der wichtigsten Teile des Teleskops ist der Primärspiegel. Er hat einen Durchmesser von 6,5 Metern und eine effektive Spiegelfläche von 27 Quadratmetern. Da sich ein Spiegel dieser Größe nicht in den Weltraum transportieren ließe, ist er aus 18 sechseckigen Teilspiegeln zusammengesetzt. Um Gewicht zu sparen, sind die Spiegel aus goldbeschichtetem Beryllium gefertigt. 132 Motoren sorgen dafür, dass die einzelnen Spiegel exakt ausgerichtet sind.

Das mit dem Spiegel eingefangene Licht wird über einen Sekundärspiegel zu mehreren Instrumenten geworfen. Darunter:

• Ein Nahinfrarot-Spektograf (NIRSpec): Er zerlegt das Licht in seine zahlreichen Wellenlängen. Die Daten erlauben Aussagen über Temperatur, Dichte, chemische Zusammensetzung und Geschwindigkeit eines Objektes.
• Ein Mittelinfrarot-Instrument (MIRI): Dieses Instrument kann im mittleren Infrarotbereich arbeiten. Das hilft bei der Bildgebung, Spektroskopie und anderen Dingen. Damit MIRI funktioniert, muss es auf -266 Grad Celsius heruntergekühlt werden. Damit darf es kälter werden als der Rest des Teleskops.
• Eine Nahinfrarotkamera (NIRCam): Dies ist die Hauptkamera des Webb-Teleskops. Sie ist für die tiefsten Nahinfrarotbilder verantwortlich, die das Licht der ersten Sterne und Galaxien aufspürt.
• Eine Nahinfrarotkamera und Spaltloser Spektograf (NIRISS): Dieses Instrument kann einerseits die Bilder der NIRCam ergänzen. Außerdem bietet es weitere Einsatzmöglichkeiten. Ein spezieller spektoskopischer Modus erlaubt die nähere Bestimmung von Exoplaneten. NIRISS kann etwa die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre eines Exoplaneten untersuchen. Mit ihm können Astronomen gezielt nach Planeten suchen, die Anzeichen von Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Methan zeigen und damit potenziell lebensfreundliche Bedingungen bieten.

Viele der genutzten Technologien mussten für das JWWT erst entwickelt werden. Etwa die sogenannten Microshutters oder Mikroverschlüsse. Während eine typische Fotokamera genau einen Verschluss hat, der regelt, wie lange Licht auf den Sensor fällt, hat das JWWT ein Gitter aus rund 250.000 individuell bedienbaren Mikroverschlüssen. So kann der Nahinfrarot-Spektograf statt nur einem Objekt bis zu 100 Objekte gleichzeitig analysieren – wodurch dieser enorm effizient wird.

Auch die Infrarotsensoren sind Neuentwicklungen für das Webb-Teleskop. Durch den Einsatz neuer Materialien und Verfahren sind die neuen Sensoren empfindlicher, haben ein größeres Format und eine längere Haltbarkeit.

Wo ist das JWWT jetzt und was sind seine Aufgaben?

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist am sogenannten zweiten Lagrange-Punkt (L2) positioniert. Als Lagrange-Punkte bezeichnet man die Orte im All, an denen sich die Anziehungskraft von Sonne und Erde durch die Umlaufbahnkräfte ausgleichen. L2 folgt der Erde um die Sonne. Hier kann das JWWT Erde, Sonne und Mond gleichermaßen stets "hinter" sich halten, sodass abgestrahltes Licht von diesen Himmelskörpern stets vom Sonnenschutzschild abgefangen wird. Der L2 ist etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt.

Das JWWT soll einige grundlegende Fragen helfen zu beantworten. Etwa die Hintergründe zur Entstehung von Planetensystemen. Das JWWT kann etwa auch Hinweise auf Systeme mit erdähnlichen Planeten finden.

Außerdem dürften die Aufnahmen Aufschluss über das frühe Universum wenige Hundert Millionen Jahre nach dem Urknall geben. Das Licht von den ersten Galaxien, die 13,5 Milliarden Lichtjahre entfernt ist, kommt erst jetzt in unserem System an. Durch seine lange Reise durch das sich ausdehnende Universum, hat sich die Wellenlänge des Lichts gedehnt, aus einstmals sichtbarem Licht wurde infrarotes Licht. Aus diesem Grund sind die Infrarotkameras des JWWT für diesen "Blick in die Vergangenheit" so wichtig.

Außerdem wird es das JWWT erlauben, bessere Aussagen darüber zu treffen, wie sich Galaxien im Laufe der Jahrmilliarden entwickeln. Auch die dunkle Materie werden Forscher dank der Daten untersuchen können.