Ein neuer Star am Himmel: Warum ist das James Webb-Weltraumteleskop so genial?

Die zweite Erde ist ein bisschen schwerer als die Erste und Sie heißt Kepler-1649c. Berechnungen deuten darauf hin, dass auf diesem Planeten optimale Bedingungen herrschen, um belebte Materie hervorzubringen. Doch Kepler-1649c ist 301 Lichtjahre von der Erde entfernt. Um wirklich Spuren von Leben auf diesem Planeten zu entdecken, bräuchte es viel genauere Beobachtungen und Messungen, als derzeit möglich sind.

Genau das könnte ein gigantisches neues Teleskop liefern: das James Webb Space Telescope, kurz JWST. Vom All aus soll es das Universum mit nie zuvor gesehener Detailtreue erforschen, im Juli 2022 liefert die NASA das erste Bild des JWST. „Dieses Teleskop ist bahnbrechend, es wird die Astronomie revolutionieren“, sagt Antonella Nota, JWST-Projektwissenschaftlerin bei der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. 25 Jahre lang haben Wissenschaftler und Techniker aus den USA, Europa und Kanada daran gearbeitet.

Weil sie dabei ihren Kostenrahmen ständig überzogen, mussten die Raumfahrtbehörden ihre Budgets für andere Forschungsprogramme kürzen. Kritiker und Neider nannten das JWST daraufhin despektierlich „das Teleskop, das die Astronomie verschlungen hat“. Insgesamt liegen die Kosten jetzt bei gut zehn Milliarden Dollar, damit gehört das JWST zu den teuersten Projekten in der Geschichte der unbemannten Raumfahrt. Entsprechend groß sind die Erwartungen.

Eine der Aufgaben des Teleskops ist die Beobachtung von Planeten, die um ferne Sterne kreisen, sogenannte Exoplaneten. Davon sind derzeit 4.461 bekannt, Monat für Monat kommen ein paar Handvoll dazu. Im Fokus stehen jene Planeten, die über eine eigene Atmosphäre verfügen. Webb soll nachschauen, ob dort Wasser, Methan oder Sauerstoff wabern. Denn das würden auf die Existenz von Leben hindeuten.

Zwei Methoden stehen dafür zur Verfügung: JWST kann versuchen, die Planeten direkt zu beobachten. Da deren Heimatsterne aber viele Millionen Mal heller sind als die direkt daneben kreisenden Planeten, schiebt JWST eine Art Maske ins eigene Blickfeld, um das Sternenlicht abzublocken. „Die großen Durchbrüche“, sagt Nota, „werden wohl durch die Transitmethode gelingen.“ Zieht ein ferner Planet zwischen seinem Stern und dem Teleskop vorbei, strahlt etwas Sternenlicht durch die Atmosphäre. Deren Bestandteile verändern das Licht in charakteristischer Weise.

Aus diesen Veränderungen können Astronomen Hinweise auf die chemische Zusammensetzung der fernen Atmosphäre ablesen. „Zum Glück sind Astronomen inzwischen sehr geschickt darin, ein derart schwaches Signal im hellen Sternenlicht auszumachen“, sagt Nota.

Dabei hilft, dass das neue Teleskop nicht sichtbares Licht, sondern Wärmestrahlung – also die Infrarotstrahlung – einfängt und analysiert, denn in diesem Bereich des Lichtspektrums lassen sich Hinweise auf Wasser oder Methan besser erkennen.

Der Nachteil eines solchen Infrarot-Teleskops: Es funktioniert am besten bei einer Temperatur von minus 233 Grad Celsius. Selbst kleinste Wärmequellen stören die Aufnahmen. Um sich also vor den Strahlen der Sonne zu schützen, wird Webb mehrere hauchdünne Sonnen-segel aufspannen. Jedes einzelne davon ist fast so groß wie ein Tennisplatz.

Apropos Größe: Der Spiegel des JWST ist mit einer Fläche von rund 25 Quadratmetern mehr als sechsmal so groß wie der des legendären Hubble-Weltraumteleskops. Und schon dieses hat mit seinen Aufnahmen unser Bild des Universums grundlegend verändert. Auch die restliche Armada der bisher im All stationierten Teleskope ist dem JWST weit unterlegen.

Der goldene Riesenspiegel, zusammengesetzt aus 18 sechseckigen Segmenten, wird nicht nur scharfe Bilder ermöglichen, er erlaubt vor allem eine hohe Empfindlichkeit. „Bei derart schwach leuchtenden Objekten wie Exoplaneten kommt es auf jedes Lichtteilchen an, um aussagekräftige Daten zu erhalten“, sagt Nota.

Das schiere Ausmaß des JWST ist für die Raumfahrtingenieure eine ordentliche Herausforderung. Schließlich muss das Riesending für seine Reise ins All in die Spitze der Trägerrakete Ariane 5 passen. Und die hat einen Durchmesser von nur fünf Metern. Deshalb werden der Spiegel und die Sonnensegel vor dem Start sorgfältig zusammengefaltet.

Ausgepackt wird das mehr als sechs Tonnen schwere Instrument erst auf seiner Bestimmungsbahn im Weltraum: Ein Orbit um die Sonne, außerhalb von jenem der Erde und von ihr stets 1,5 Millionen Kilometer entfernt – das entspricht der vier-fachen Entfernung zum Mond. Allein für die Entfaltung des Spiegels müssen 132 Stellmotoren zusammenarbeiten. Die anschließende -Kalibrierung des Spiegels und der wissenschaftlichen Instrumente wird sechs Monate dauern.

Von Anfang an, so Nota, sind etwa 20 Prozent der Beobachtungszeit der Untersuchung ferner Planeten gewidmet. Himmelskörper von der Größe des Jupiters oder Neptuns sollten sich dann auf jeden Fall beobachten lassen. Ob das Webb-Teleskop auch Planeten wie Kepler-c1649 mit seiner äußerst dünnen Atmosphäre studieren kann, ist unter Forschenden hingegen umstritten.

Viele sind eher skeptisch. Kleinste Störungen bei der Messung oder Fehler bei der statistischen Auswertung der Beobachtungsdaten könnten schon in die Irre führen. Antonella Nota jedoch ist optimistisch: „Die Fähigkeit, solch ferne Welten zu studieren, liegt möglicherweise jenseits dessen, worauf Astronomen heute wetten würden“, sagt die ESA-Forscherin. „Eines hat uns Hubble nämlich gelehrt: Die größten Entdeckungen waren stets die, auf die niemand gewettet hat.“

Das James-Webb-­Weltraumteleskop und seine Bestandteile

• Durchblick
  Der sogenannte Sekundärspiegel lenkt das eingefangene Licht in Richtung der Mess­instrumente. Dadurch erreicht das Teleskop eine Auflösung, mit der es einen Fußball in 550 Kilometern Entfernung entdecken könnte.

• Stückwerk
  Der Hauptspiegel aus 18 sechseckigen Segmenten besteht aus dem Metall Beryllium, das hart, leicht und äußerst temperaturbeständig ist. Jedes Segment wiegt knapp 40 Kilogramm – einschließlich seiner Aufhängung, die es erlaubt, die Spiegel mit einer Genauigkeit von einem Zehntausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares auszurichten.

• Blattgold
  Um die infrarote Strahlung, die JWST beobachten soll, möglichst gut einzufangen, sind die Spiegelsegmente mit einer hauchdünnen Goldschicht überzogen. Insgesamt wurden knapp 50 Gramm des Edelmetalls verarbeitet.

• Kühlbox
  Vier wissenschaftliche Instrumente, teilweise hinter dem Spiegel platziert, analysieren das eingefangene Licht, manche zerlegen es zudem in seine unterschiedlichen Farbtöne. Das alles muss bei minus 233 Grad Celsius funktionieren, andernfalls würde die Abwärme der Instrumente die Beobachtungen des Teleskops verzerren.

• Schattenspender
  Fünf Lagen, jede so dünn wie eine Frischhalte­folie, bilden den Sonnenschutz des Teleskops. Sie bestehen aus Kapton, einem hitzebeständigen Material, das auch in Raumanzügen verwendet wird. Die Folien sind mit Aluminium beschichtet und werden nach dem Erreichen der Umlaufbahn von Seilen aufgespannt. Jedes der Segel ist gut 22 Meter lang und 10 Meter breit.

Diese Geschichte erschien erstmals im Terra Mater Magazin 4/2021.