Wie das James-Webb-Weltraumteleskop funktionieren wird

Unser Wissen über unser Universum ist durch den Umfang unserer Sinne begrenzt, aber unser Verstand kennt keine solchen Grenzen. Wenn der Schein eines Lagerfeuers uns die Quelle eines Zweigbruchs in der bewaldeten Dunkelheit blendet, stellen wir uns alle möglichen düsteren Aussichten vor. Aber treten Sie ein paar Schritte hinaus, zünden Sie uns den Rücken an, und wir sehen tiefer und klarer. Fantasie trifft auf Information, und plötzlich wissen wir, womit wir es zu tun haben.

Wenn es nur immer so einfach wäre. Aber es braucht mehr als ein paar gute Augen und etwas Abstand von den Lichtern der Stadt, um den Kosmos zu verstehen; es erfordert Instrumente, die in der Lage sind, unsere Sinne über unsere evolutionären Grenzen, unsere Atmosphäre oder sogar unsere Planetenumlaufbahn hinaus zu erweitern . Astronomie und Kosmologie werden durch die Qualität dieser Instrumente sowohl gezwungen als auch eingeschränkt. Vor etwa 400 Jahren enthüllte das Teleskop ungeahnte Monde, Planeten und Sonnenflecken, löste eine Reihe neuer kosmischer Theorien und bessere Werkzeuge aus, um sie zu testen, enthüllte wogende Nebel und versammelte Sterne auf dem Weg.

Mitte des 20. Jahrhunderts zeigten Radioteleskope, dass Galaxien, weit entfernt von statischen Klecksen, tatsächlich aktiv und voller Energie waren. Vor dem Kepler-Weltraumteleskop dachten wir, Exoplaneten seien im Universum selten; jetzt vermuten wir, dass sie den Sternen zahlenmäßig überlegen sein könnten. Zwei Jahrzehnte des erdumkreisenden Weltraumteleskops Hubble haben dazu beigetragen, den Schleier der Zeit zu durchdringen, Sternenkindergärten abzubilden und zu beweisen, dass Galaxien kollidieren. Jetzt steht das James-Webb-Weltraumteleskop bereit, seinen Rücken dem Sonnenlicht zuzuwenden, sich von der Erde zu entfernen und die scharfen, feinen Beobachtungen nur in den kalten, dunklen Räumen jenseits des Mondes zu ermöglichen.

Webb soll 2018 auf den Markt kommen und von Teams aus 14 Ländern, 27 Bundesstaaten und dem District of Columbia aufgebaut werden. Webb ist damit beauftragt, einige sehr ehrgeizige Fragen zu beantworten. Wenn das mächtige Teleskop auf einer Ariane-5-ECA-Rakete der Europäischen Weltraumorganisation startet, wird es den Beginn einer neuen Welle aufstrebender boden- und weltraumgestützter Instrumente markieren, darunter mehrere neue Observatorien in Hawaii und Chile [Quellen: Billings ; Auf Wiedersehen ].

Wenn es seinen Start und seine Reise von 1 Million Meilen (1,5 Millionen Kilometer) von der Erde zu seiner Umlaufbahn des zweiten Lagrange-Punktes (L2) überlebt – einem von fünf Punkten im Erde-Sonne-System, an dem die Schwerkraft natürlicherweise anhält ein Raumschiff, das mehr oder weniger an Ort und Stelle ist - es wird Astronomen näher als je zuvor an den Beginn der Zeit bringen und Einblicke in Sehenswürdigkeiten gewähren, die lange angenommen, aber nie gesehen wurden, von der Geburt von Galaxien bis zum Licht der allerersten Sterne.

1. Die Mission: Auf den Schultern von Riesen stehen
2. Die Nickel-Tour des James-Webb-Weltraumteleskops
3. Die Instrumente: Sight Beyond Sight

Webbs Mission baut auf der Arbeit der Great Observatories der NASA auf und erweitert diese, vier bemerkenswerte Weltraumteleskope, deren Instrumente die Küste elektromagnetischer Spektren abdecken. Die vier sich überschneidenden Missionen ermöglichten es den Wissenschaftlern, dieselben astronomischen Objekte im sichtbaren, Gammastrahlen-, Röntgen- und Infrarotspektrum zu beobachten.

Der schulbusgroße Hubble, der hauptsächlich im sichtbaren Spektrum mit etwas Ultraviolett- und Nahinfrarot-Abdeckung sieht, startete das Programm 1990 und sollte bei weiterer Wartung lange genug halten, um den Staffelstab an Webb zu übergeben. Passenderweise benannt nach Edwin Hubble , dem Astronomen, der viele der Ereignisse entdeckte, zu deren Erforschung es gebaut wurde, ist das Teleskop seitdem zu einem der produktivsten Instrumente in der Wissenschaftsgeschichte geworden, das Phänomene wie Sterngeburt und -tod, galaktische Entwicklung und Schwarze Löcher hervorbringt Theorie zur beobachteten Tatsache [Quelle: NASA ].

Neben Hubble gehören zu den großen Vier das Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) , das Chandra X-ray Observatory und das Spitzer Space Telescope .

Webb wird tief in das nahe und mittlere Infrarot blicken, unterstützt durch seine Position am L2-Punkt jenseits des Mondes und durch seine Sonnenschilde, die störendes Licht von Sonne, Erde und Mond blockieren und gleichzeitig das Fahrzeug effizient kühlen. Wissenschaftler hoffen, die allerersten Sterne im Universum, die Bildung und Kollision von jungen Galaxien und die Geburt von Sternen und protoplanetaren Systemen zu beobachten – möglicherweise solche, die die chemischen Bestandteile des Lebens enthalten.

Diese ersten Sterne könnten den Schlüssel zum Verständnis der Struktur des Universums enthalten. Wo und wie sie sich gebildet haben, hängt theoretisch mit frühen Mustern dunkler Materie zusammen – unsichtbare, mysteriöse Materie, die durch die von ihr ausgeübte Schwerkraft nachweisbar ist – und ihre Lebenszyklen und Todesfälle verursachten Rückkopplungen, die die Entstehung der ersten Galaxien beeinflussten [Quelle: Bromm et al . ]. Und als supermassereiche, kurzlebige Sterne, die schätzungsweise etwa das 30- bis 300-fache der Masse (und Millionen Mal der Helligkeit) unserer Sonne haben, könnten diese erstgeborenen Sterne sehr wohl als Supernovae explodiert sein, dann kollabiert sein und schwarze Löcher gebildet haben, die später angeschwollen und verschmelzt sind in die riesigen schwarzen Löcher, die die Zentren der massereichsten Galaxien besetzen.

Das alles mitzuerleben, ist eine Leistung, die jedes Instrument, das wir bisher gebaut haben, übertrifft. Das wird sich bald ändern, dank eines Pakets von Instrumenten – und eines Raumschiffs – das für diesen Job gebaut wurde.

Erstes Licht

Der Begriff First Light bezeichnet die ersten Sterne, die sich im Universum überhaupt gebildet haben, die 400 Millionen Jahre nach dem Urknall entzündet wurden und vollständig aus Urgas bestehen. Diese alten Sonnen sind jedoch nicht die ältesten Strahlungsquellen. Diese Ehre gebührt der kosmischen Hintergrundstrahlung , der Mikrowellenstrahlung, die etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall bei der Bildung der ersten Atome freigesetzt und von den NASA-Missionen WMAP und COBE beobachtet wurde. WMAP steht für Wilkinson Microwave Anisotropy Probe und COBE ist die Abkürzung für Cosmic Background Explorer. Webb wird diese frühe Strahlung jedoch nicht zu Gesicht bekommen.

Bevor Sie auf der gepunkteten Linie unterschreiben, wissen wir, dass Sie gegen die Reifen treten und das Fahrzeug schnell herumlaufen lassen möchten. Nehmen Sie sich Zeit – dieses Baby ist einzigartig.

Webb sieht ein bisschen aus wie ein rautenförmiges Floß mit einem dicken, gebogenen Mast und einem Segel – wenn das Segel von riesigen, Beryllium kauenden Honigbienen gebaut wurde. Der „Floß“-Teil ist mit der Unterseite zur Sonne gerichtet und besteht aus fünf durch Lücken getrennten Schichten eines Hitzeschilds auf Kaptonbasis. Jeweils getrennt durch einen vakuumgefüllten Spalt für eine effektive Kühlung, schützen sie zusammen den Hauptreflektor und die Instrumente.

Kapton ist ein sehr dünner Polymerfilm (denken Sie an menschliches Haar!), der von DuPont hergestellt wird und in der Lage ist, stabile mechanische Eigenschaften unter extremer Hitze und Vibration aufrechtzuerhalten, und das bereits im Weltraum. Wenn Sie wollten, könnten Sie auf der einen Seite des Schildes Wasser kochen und auf der anderen Stickstoff verflüssigen. Oh, und es lässt sich auch ziemlich gut zusammenklappen, was es für den Start tun muss.

Der „Kiel“ des Schiffes besteht aus einer einheitlichen Palettenstruktur, die den Sonnenschutz während des Abhebens speichert, und Solarzellen für die Stromversorgung. In der Mitte liegt der Bus des Raumfahrzeugs, der alle unterstützenden Funktionen enthält, die Webb am Laufen halten, einschließlich Stromversorgung, Lageregelung, Kommunikation, Befehls- und Datenverarbeitung sowie Wärmeregelung. Eine High-Gain-Antenne schmückt das Äußere des Busses, ebenso wie eine Reihe von Sterntrackern, die mit dem Feinleitsensor (siehe nächster Abschnitt) zusammenarbeiten, um alles in die richtige Richtung zu lenken. Schließlich liegt an einem Ende des Hitzeschilds und senkrecht dazu eine Impulstrimmklappe, die den Druck ausgleicht, den Photonen auf das Schiff ausüben, ähnlich wie eine Trimmklappe auf einem Segelschiff.

Auf der raumwärtigen Seite des Schildes liegt das „Segel“, Webbs riesiger Spiegel , Teil einer Optik-Suite und eines Instrumentenpakets. Seine 18 sechseckigen Berylliumabschnitte entfalten sich nach dem Start und koordinieren sich dann so, dass sie wie ein gewaltiger Hauptspiegel wirken, der sich über 6,5 Meter erstreckt.

Gegenüber diesem Spiegel, der von drei Stützen gehalten wird, steht der Sekundärspiegel, der das Licht vom Primärspiegel auf das Untersystem der Heckoptik fokussiert, ein keilförmiger Kasten, der aus der Mitte des Hauptspiegels herausragt. Diese Struktur lenkt Streulicht ab und leitet das Licht vom sekundären Spiegel zu den Instrumenten, die im „Mast“ der Rückplatte untergebracht sind, der eine doppelte Aufgabe erfüllt, indem er auch die Struktur des segmentierten Hauptspiegels beibehält.

Sobald das Schiff seine sechsmonatige Inbetriebnahmezeit nach dem Start abgeschlossen hat, wird es je nach Treibstoffverbrauch 5 bis 10 Jahre und, wie wir hoffen, länger halten, aber es wird für eine Wartung zu weit außen kreisen. Eigentlich sind Hubble und die Internationale Raumstation in dieser Hinsicht die Ausnahmen, aber wie Hubble und andere allgemeine Observatorien werden ihre Missionen dann aus konkurrierenden, von Experten begutachteten und bewerteten Vorschlägen hervorgehen, die von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt eingereicht werden. Die Ergebnisse werden in veröffentlichte Studien und im Internet verfügbare Daten einfließen.

Werfen wir einen genaueren Blick auf die Instrumente, die all diese Studien ermöglichen.

Was ist in einem Namen?

Einst als Next Generation Space Telescope (NGST) bekannt, wurde Webb im September 2002 zu Ehren des ehemaligen NASA-Administrators James Webb umbenannt. Während seiner Amtszeit als Leiter der aufstrebenden Weltraumbehörde von Februar 1961 bis Oktober 1968 drängte er darauf, die Raumfahrt zur Erforschung und nicht nur zur Politik des Kalten Krieges zu machen. Folglich hat die NASA von wissenschaftlichen Bemühungen, Bildung und zahlreichen Industrien vor Ort profitiert [Quellen: NASA ; NASA ].

Obwohl es etwas in den sichtbaren Bereich sieht (rotes und goldenes Licht), ist Webb im Grunde ein großes Infrarotteleskop (siehe Seitenleiste).

Sein primärer Imager, die Near-InfraRed Camera (NIRCam), erfasst im Bereich von 0,6 bis 5,0 Mikron (nahes Infrarot). Es wird Infrarotlicht von den frühesten Sternen und Galaxien, die geboren werden, erkennen, eine Zählung der nahe gelegenen Galaxien durchführen und Objekte entdecken, die durch den Kuipergürtel schwingen – die Weite eisiger Objekte, die hinter Neptun kreisen und Pluto und andere Zwergplaneten enthalten. Es hilft auch bei der Korrektur von Webbs Teleskopsicht nach Bedarf.

Die NIRCam ist mit einem Koronographen ausgestattet , der es der Kamera ermöglicht, den dünnen Halo um helle Sterne zu beobachten, indem ihr blendendes Licht blockiert wird – ein wesentliches Werkzeug zum Erkennen von Exoplaneten.

Der Near InfraRed Spectrograph (NIRSpec) arbeitet im gleichen Wellenlängenbereich wie NIRCam. Wie andere Spektrographen analysiert es die physikalischen Eigenschaften von Objekten wie Sternen , indem es Licht in ein Spektrum aufteilt, dessen Muster je nach Temperatur, Masse und chemischer Zusammensetzung des Ziels variiert.

NIRSpec will study thousands of ancient galaxies with radiation so faint that a single spectrograph will require hundreds of hours to make. To aid in this daunting task, the spectrograph equips a remarkable gadget: a grid of 62,000 individual shutters, each measuring roughly 100 by 200 microns (the width of a few human hairs) and capable of opening and closing to block out the light of brighter stars. Thanks to this microshutter array, NIRSpec will become the first space-based spectrograph capable of observing 100 different objects at a time.

Der Fine Guidance Sensor / Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (FGS-NIRISS) besteht eigentlich aus zwei zusammengepackten Sensoren. Das NIRISS verfügt über vier Modi, die jeweils einem anderen Wellenlängenbereich zugeordnet sind. Diese reichen von spaltloser Spektroskopie, die ein Spektrum über eine Prismen- und Gitterkombination, die als Grism bezeichnet wird, erzeugt , bis hin zu Aperturmaskierungs-Interferometrie, die eine Maske verwendet, um Interferenzmuster zu erzeugen, die dabei helfen, exoplanetares Licht vom Hintergrundsternschein zu unterscheiden [Quelle: STSI ].

Die FGS ist eine empfindliche, nicht blinkende Kamera, die Navigationsbilder aufnimmt und sie an das Lagekontrollsystem weiterleitet, um das Teleskop in die richtige Richtung zu richten.

Das letzte Webb-Instrument erweitert seinen Bereich über das nahe Infrarot hinaus auf das mittlere Infrarot, was praktisch ist, um rotverschobene Objekte sowie Planeten, Kometen, Asteroiden, durch Sternenlicht erhitzten Staub und protoplanetare Scheiben aufzunehmen. Dieses Mittelinfrarot-Instrument (MIRI) ist sowohl eine Kamera als auch ein Spektrograph und deckt den breitesten Wellenlängenbereich von 5 bis 28 Mikron ab. Seine Weitwinkel-Breitbandkamera wird noch mehr Bilder aufnehmen, die Hubble berühmt gemacht haben.

Aber die Infrarotbeobachtung ist für das Verständnis des Universums unerlässlich. Staub und Gas können das sichtbare Licht von Sternen in Sternenkindergärten blockieren, aber Infrarot geht durch. Wenn sich das Universum ausdehnt und Galaxien sich auseinander bewegen, „dehnt“ sich ihr Licht aus und wird rotverschoben , wobei es zu längeren EM-Wellenlängen wie Infrarot gleitet. Je weiter die Galaxie entfernt ist, desto schneller zieht sie sich zurück und desto rotverschobener ist ihr Licht – daher der Wert eines Teleskops wie Webb.

Infrarotspektren können auch eine Fülle von Informationen über Exoplanetenatmosphären liefern – und ob sie molekulare Bestandteile enthalten, die mit dem Leben in Verbindung gebracht werden. Auf der Erde nennen wir Wasserdampf, Methan und Kohlendioxid „Treibhausgase“, weil sie thermisches Infrarot (auch bekannt als Wärme) absorbieren. Da diese Tendenz überall zutrifft, können Wissenschaftler mit Webb solche Substanzen in der Atmosphäre ferner Welten nachweisen, indem sie in ihren spektroskopischen Messwerten nach verräterischen Absorptionsmustern suchen.

Das verborgene Universum

Astronomen nennen den Infrarotbereich des elektromagnetischen (EM) Spektrums das „verborgene Universum“. Obwohl jedes Objekt mit Wärme Infrarotlicht ausstrahlt, blockiert die Erdatmosphäre das meiste davon und macht es für die bodengestützte Astronomie unsichtbar.

Anmerkung des Autors: Wie das James-Webb-Weltraumteleskop funktionieren wird

Es wurde gesagt, dass wir zu viel Zeit damit verbringen, über die Vergangenheit nachzudenken, aber in Wahrheit füttern uns unsere Sinne mit nichts als veralteten Informationen. Alles, was wir wahrnehmen, ist bereits passiert, sei es einen Bruchteil einer Sekunde früher oder vor Millionen von Jahren, was unsere Augen in einem sehr geringen Maße zu Zeitmaschinen macht.

Aber es gibt so viel mehr Informationen am Himmel, als wir wahrnehmen können – verblassende Polaroids des kaum erkennbaren frühen Universums, die in Milliarden Jahre alte rotverschobene Bilder übergehen, die jenseits des begrenzten EM-Fensters liegen, für das unsere Augen empfindlich sind. Aber das ist das Schöne daran, eine Spezies zu sein, die Werkzeuge herstellt: Unsere Werkzeuge können unsere Fähigkeiten, unsere Reichweite und unsere Vision erweitern, sogar bis zur Geburt des Kosmos.

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