James-Webb-Weltraumteleskop: Enthüllung der Ursprünge des Universums

Mit dem Start des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) wird das Verständnis der Menschheit vom Universum – und seinen Ursprüngen – exponentiell zunehmen.

Ursprünglich als Next Generation Space Telescope (NGST) bezeichnet und im September 2002 zu Ehren des ehemaligen NASA-Administrators James Webb umbenannt, repräsentiert das JWST eine internationale Zusammenarbeit von Partnern einschließlich NASA, der Kanadischen Weltraumbehörde (CSA), der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), dem Luft- und Raumfahrtkonzern Northrop Grumman und dem Space Telescope Science Institute, das das Teleskop nach dem Start betreiben wird.

Infrarot-Technologie

Was unterscheidet das JWST von den weltraumgestützten Teleskopen, die vor ihm kamen, wie dem geschichtsträchtigen Hubble-Weltraumteleskop? Zum einen ist Hubble, das 1990 gestartet wurde, ein optisches Teleskop; das JWST ist ein Infrarotteleskop. Während Lichtwellen sich durch das sich ständig ausdehnende Universum bewegen, werden sie „gedehnt“, was bedeutet, dass sie zu längeren, röteren Energiewellenlängen verschoben werden. Irgendwann verschiebt sich das einst sichtbare Licht der entferntesten Sterne im Universum in Infrarotwellenlängen, die nicht mehr von optischen Teleskopen wie Hubble detektiert werden können. Das JWST ist speziell darauf ausgelegt, Bilder dieser Infrarotlichtwellen einzufangen und sie mit modernster Spektroskopie zu analysieren.

Das JWST wird nicht das erste Mal sein, dass Wissenschaftler Infrarottechnologie zur Erforschung des Universums nutzen. 1983 startete die NASA ihren bahnbrechenden Infrarot-Astronomiesatelliten (IRAS) in die Umlaufbahn, was ihn zum weltweit ersten weltraumgestützten Infrarotteleskop machte. Ein gemeinsames Projekt der USA, der Niederlande und des Vereinigten Königreichs, umkreiste es 559 Meilen über der Erde in einer 10-monatigen Mission und beobachtete über 250.000 Infrarotquellen in den Wellenlängen 12, 25, 60 und 100 Mikrometer. Der Erfolg dieser Mission führte zur Installation eines heliumgekühlten Infrarotteleskops an Bord des Space Shuttle Challenger 1985 (STS-51) und schließlich zur Entwicklung des Spitzer-Weltraumteleskops, das 2003 gestartet wurde.

Zwischen diesen Meilensteinen startete die Europäische Weltraumorganisation in Zusammenarbeit mit der NASA und Japans Institut für Weltraum- und Astronautik (ISAS) im November 1995 das Infrarot-Weltraumobservatorium (ISO) auf einer dreijährigen Mission, die darauf ausgelegt war, etwa 30.000 Infrarotquellen zu beobachten, Imaging im Bereich von 2,5 bis 240 Mikrometer und Spektroskopie im Bereich von 2,5 bis 196,8 Mikrometer durchzuführen und die Daten in Echtzeit zur Erde zu übertragen. Und 1997 rüstete die NASA das optische Hubble-Teleskop mit Infrarotfähigkeit auf, indem sie es während der Servicing Mission 2 (STS-82) mit der Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) ausstattete.

NICMOS, ein kombiniertes Abbildungsgerät und Spektrometer, entworfen und gebaut von Ball Aerospace & Technologies Corp., verfügte über drei Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Nahinfrarotdetektoren, die auf Saphirsubstraten verbunden waren und für den Betrieb im Wellenlängenbereich von 0,8 bis 2,5 Mikrometern ausgelegt waren. NICMOS, das von 1997 bis 1999 betrieben wurde, bevor das Kühlmittel ausging, und dann wieder von 2002 bis 2008 nach der Installation eines neuen kryogenen Kühlsystems während Servicing Mission 3B (STS-109), wurde schließlich 2009 durch die Wide Field Camera 3 (WFC3) während Servicing Mission 4 (STS-125) ersetzt. Obwohl nicht streng ein Infrarotinstrument – es hatte auch einen UV- und optischen Kanal, der Bilder im Wellenlängenbereich von 200 bis 1000 nm aufzeichnen konnte – verfügte die WFC3 über einen Nahinfrarotdetektor, der Bilder im Wellenlängenbereich von 800 bis 1700 nm aufnehmen konnte. Obwohl in seiner Infrarotfähigkeit im Vergleich zu NICMOS begrenzt (1700 nm vs. 2500 nm), konnte die WFC3 thermoelektrisch gekühlt werden, wodurch der Bedarf an kryogener Kühlung entfiel.

Der Spiegel

Als wohl technologisch fortschrittlichstes wissenschaftliches Instrument, das je in den Weltraum gestartet wurde, wird das JWST nicht nur die besten Aspekte der Hubble- und Spitzer-Weltraumteleskope kombinieren, sondern sie bei weitem übertreffen, beginnend mit der Größe seines Primärspiegels. Webbs Spiegel wird 6,5 Meter im Durchmesser betragen, verglichen mit Hubbles 2,4-Meter-Spiegel und Spitzers kompaktem 0,8-Meter-Spiegel.

Da ein Spiegel dieser Größe in kein aktuelles Trägerraketen-System passt, wird er aus 18 einzelnen sechseckigen Segmenten aus leichtem Beryllium bestehen, die sich im Orbit entfalten und automatisch in Form bringen. Jedes Segment wird durch Vakuum-Dampfabscheidung mit einer dünnen Goldschicht von nur 1000 Angström (100 Nanometer) Dicke beschichtet. Um das in Perspektive zu setzen: Angesichts der Dichte von Gold bei Raumtemperatur (19,3 g/cm³) entspricht das 48,25 g Gold – ungefähr die Masse eines Golfballs – um eine Fläche von 25 m² zu beschichten. Warum Gold? Überlegene Reflektivität. Gold reflektiert 98 Prozent des gesammelten Infrarotlichts, während ein Material wie Aluminium typischerweise nur etwa 85 Prozent des sichtbaren Lichts reflektiert.

Das JWST ist darauf ausgelegt, den L2-Punkt zu umkreisen, 1,5 Millionen Kilometer über der Erde. Je weiter ein Teleskop von der Erdatmosphäre entfernt ist, desto weniger Elemente gibt es, die die Qualität der gesammelten Daten negativ beeinflussen. Es wird auch weit genug von der schützenden Magnetosphäre der Erde entfernt sein, wo hochenergetische kosmische Strahlung seine Signale stören oder elektrische Ladungen erzeugen könnte, die die empfindlichen Instrumente des Teleskops potenziell beschädigen könnten. Als zusätzliche Absicherung wurde das JWST mit spezieller Abschirmung und leitfähigen Materialien entwickelt, um Spannungsansammlungen zu verhindern, die die Sonnenschilde und Teilsysteme des Raumfahrzeugs beschädigen könnten. Das Teleskop wird alle 198 Tage eine vollständige Umlaufbahn um L2 machen... falls Sie es beobachten möchten.

Der Sonnenschild

Der Sonnenschild des Teleskops, der etwa so groß ist wie ein Tennisplatz (21,197 m × 14,162 m), ist bei weitem das größte Element des JWST. Er besteht aus fünf Lagen silikonbeschichtetem DuPont™ Kapton®, jede Lage weniger als 1 mm dick. Der Hauptzweck des Sonnenschilds ist es, die kalte Seite des Teleskops, wo die Instrumente untergebracht sind, von der sonnenzugewandten Seite zu trennen. Die maximale Temperatur, die Lage 1 aushalten kann, beträgt 383 K (~110 °C), während Lage 5 eine maximale Temperatur von 221 K (~ -52 °C) und eine Mindesttemperatur von 36 K (~ -237 °C) aushalten kann. Da Infrarotdetektoren kühle Temperaturen bevorzugen und jede vom Bordsystem des JWST erzeugte Wärme die gesammelten Infrarotsignale verunreinigen könnte, beträgt die bevorzugte Betriebstemperatur des Teleskops unter 50 K (~ -223 °C).

Angesichts der Größe des Sonnenschilds und der Dünne seiner Materialien war eine der ingenieurtechnischen Herausforderungen für seine Designer, ihn stark genug zu machen, um den Strapazen der Weltraumfahrt standzuhalten. Sie erreichten dies, indem sie ein geniales System von Stützrippen schufen, das die notwendige strukturelle Stabilität bietet, ohne spröde zu werden. Das System verträgt auch kleine Risse und Löcher, die durch Weltraummüll verursacht werden, ohne zu versagen.

In technologischer Hinsicht lässt sich das JWST in drei Bereiche unterteilen: das Integrated Science Instrument Module (ISIM), das Optical Telescope Element und das Spacecraft Element.

Die Wissenschaftsinstrumente

Das ISIM enthält die vier Hauptwissenschaftsinstrumente des JWST: die Near-Infrared Camera (NIRCam), den Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec), das Mid-Infrared Instrument (MIRI) und den Fine Guidance Sensor/Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS).

Die Near-Infrared Camera, gebaut von der University of Arizona und Lockheed Martin, wird zwei wichtige Funktionen erfüllen. Die erste ist die Aufnahme von Bildern im Wellenlängenbereich von 600 nm bis 5000 nm mit einer 10.000-Sekunden-Belichtung (ca. 2,8 Stunden). Für den Betrieb bei 37 K (~ -236 °C) ausgelegt, wird sie das Licht beobachten und aufzeichnen, das von einigen der ersten Sterne und Galaxien erzeugt wurde, die sich nach dem Urknall im Universum bildeten. Ihre andere wichtige Funktion ist die ständige Überwachung der Leistung der 18 Segmente des Primärspiegels, um sicherzustellen, dass das Teleskop fokussiert bleibt.

Der Near-Infrared Spectrograph, beigesteuert von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), ist einzigartig, da er gleichzeitig bis zu 100 Objekte in einem 3-Bogenminuten × 3-Bogenminuten-Sichtfeld im Wellenlängenbereich von 600 nm bis 5000 nm analysieren kann. Dies gelingt dank eines innovativen Systems aus vier Arrays programmierbarer Spaltmasken mit etwa 250.000 Mikroverschlüssen, die jeweils nur 100 × 200 Mikrometer messen. Der NIRSpec hat vier Betriebsmodi: Multi-Object Spectroscopy (MOS), Integral Field Unit (IFU) Mode, High-Contrast Slit Spectroscopy (SLIT) und Imaging Mode (IMA). Wie die Near-Infrared Camera wird er verwendet, um Licht aus den Ursprüngen des Universums zu analysieren.

Das Mid-Infrared Instrument ist so konzipiert, sowohl als Kamera als auch als Spektrograph zu arbeiten und dort weiterzumachen, wo die Nahinfrarotinstrumente aufhören, indem es Licht im Wellenlängenbereich von 5000 nm bis 28000 nm erfasst und analysiert. Der Schlüssel zu seiner Leistung in diesem Bereich sind seine arsen-dotierten Siliziumdetektoren, auch bekannt als Focal Plane Modules (FPMs), die eine Auflösung von 1024 × 1024 Pixeln haben. Das MIRI, das kryogen auf 7 K (~ -266 °C) gekühlt wird, enthält auch ein Low-Resolution Spectrometer, ausgestattet mit Germanium-Metall- und Zinksulfid-Prismen, die Licht im Wellenlängenbereich von 5000 nm bis 12000 nm analysieren können. Es ist auch mit Koronografen ausgestattet, was ihm die Fähigkeit gibt, Exoplaneten zu untersuchen.

Schließlich ist der Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, gebaut von der Kanadischen Weltraumbehörde, darauf ausgelegt, Licht im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 5000 nm zu beobachten und zwei Funktionen zu erfüllen. Der Fine Guidance Sensor gibt dem JWST seinen Orientierungssinn und richtet es auf festgelegte Ziele aus. Der Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, ausgestattet mit einem 2048 × 2048 Pixel Quecksilber-Cadmium-Array und einem Sichtfeld von 2,2 ft × 2,2 ft, ist darauf ausgelegt, Exoplaneten zu detektieren und zu analysieren.

Das Optical Telescope Element (OTE) ist, wie der Name impliziert, das Auge des JWST. Laut NASA besteht es aus den 18 sechseckigen Segmenten, die den 6,5-Meter-Primärspiegel bilden; dem 0,74-Meter-runden Sekundärspiegel; den Tertiär- und Feinsteuerungsspiegeln; der Rückwandbaugruppe des Primärspiegels und der Haupt-Rückwandstütze, die auch das Instrumentenmodul beherbergt; dem Thermomanagement-Teilsystem; dem aft deployable ISIM radiator (ADIR); und dem Wellenfront-Erfassungs- und Kontrollsystem des Raumfahrzeugs.

Die Teilsysteme

Der letzte Teil des Puzzles ist das Spacecraft Element, das aus dem Sonnenschild und dem Spacecraft Bus besteht. Neben der Unterstützung der gesamten 6500 kg Masse des Teleskops beherbergt der Spacecraft Bus, der aus Graphit-Verbundmaterial besteht, die sechs Hauptteilsysteme des JWST: das elektrische Energieteilsystem, das Lageregelungsteilsystem, das Kommunikations-Teilsystem, das Befehls- und Datenverarbeitungsteilsystem, das Antriebs-Teilsystem und das Thermalkontroll-Teilsystem.

Die Hauptfunktion des elektrischen Energieteilsystems ist die Umwandlung der von den Solarpaneelen gesammelten Energie in die elektrische Leistung, die von den anderen Teilsystemen benötigt wird. Das Lageregelungsteilsystem verwaltet die Ausrichtung und Stabilität des Teleskops im Orbit. Das Kommunikations-Teilsystem übernimmt die Übertragung von Daten und Befehlssignalen durch NASAs Deep Space Communication Network. Das Befehls- und Datenverarbeitungsteilsystem enthält den Hauptcomputer des JWST und den Command Telemetry Processor (CTP) sowie sein Solid State Recorder (SSR) Datenspeichergerät. Das Antriebs-Teilsystem besteht aus den Raketen und Treibstofftanks, die benötigt werden, um das Teleskop auszurichten und in seiner richtigen Umlaufbahn zu halten. Und das Thermalkontroll-Teilsystem ist darauf ausgelegt, die vier Deployable Radiator Shade Assemblies zu steuern und kritische Betriebstemperaturen an Bord des Raumfahrzeugs aufrechtzuerhalten.

Basierend auf der außergewöhnlichen Menge und Qualität der von den Hubble- und Spitzer-Weltraumteleskopen gesammelten Daten ist das Gefühl der Vorfreude und Aufregung darüber, was wir vom JWST lernen könnten, verständlicherweise hoch. Die projizierte Missionsdauer beträgt 5 bis 10 Jahre, und in dieser Zeit hoffen Wissenschaftler, nicht nur mehr über die Ursprünge und Bildung unseres Universums zu erfahren, sondern auch wertvolle Informationen zu anderen Mysterien wie Schwarzen Löchern, Supernovae, Baby-Galaxien und fernen Planeten zu sammeln, die das Potenzial haben könnten, Leben zu beherbergen.

Unabhängig davon, was es entdeckt, wird das JWST uns – wie das fiktive Raumschiff Enterprise in der beliebten Star-Trek-Fernsehserie – die sehr reale Fähigkeit geben, wissenschaftlich dorthin zu gehen, „wo noch nie ein Mensch zuvor war“.

Dieser Artikel wurde von Bruce A. Bennett, Editor, Photonics & Imaging Technology, SAE Media Group (New York, NY), verfasst.

Quellen

• Ivanova, Nelly. 2012. The James Webb Space
• Telescope Science Guide. Baltimore: Space
• Telescope Science Institute (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/