Was ist vom Start des James Webb-Weltraumteleskops der NASA zu erwarten?

Am Weihnachtstag macht die NASA Astronomen mit der Einführung des leistungsstärksten Weltraumteleskops, das je gebaut wurde, eines der größten Geschenke, das sie machen kann. Das Weltraumobservatorium namens James Webb Space Telescope (JWST) soll der Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops der NASA sein, das sich bereits im Orbit um die Erde befindet. Und es verspricht, die Art und Weise, wie wir den Kosmos studieren, völlig zu verändern.

Mit dem größten Spiegel aller jemals gestarteten weltraumgebundenen Teleskope hat das JWST die Aufgabe, Infrarotlicht von einigen der am weitesten entfernten Sterne und Galaxien des Universums zu sammeln. Mit dieser Fähigkeit wird das Teleskop in der Lage sein, weit in die Vergangenheit zu blicken und einige der frühesten Objekte abzubilden, die sich kurz nach dem Urknall gebildet haben. Darüber hinaus wird es die Geheimnisse supermassiver Schwarzer Löcher, entfernter außerirdischer Welten, stellarer Explosionen, dunkler Materie und mehr enthüllen.

Es wird die Geheimnisse supermassereicher Schwarzer Löcher, entfernter außerirdischer Welten, stellarer Explosionen, dunkel . lüften Materie und mehr

Die NASA hat fast drei Jahrzehnte daran gearbeitet, dieses Teleskop herzustellen und es zur Startrampe zu bringen. Jetzt soll das Teleskop am Samstag, den 25. Dezember, endlich auf einer europäischen Ariane-5-Rakete von Europas primärem Startplatz in Kourou, Französisch-Guayana in Südamerika, starten. Aber wenn das Teleskop erst einmal im All ist, ist es noch ein weiter Weg. Weil JWST so massiv ist, muss es gefaltet in den Weltraum fliegen. Im Weltraum wird es einen komplexen Entfaltungsprozess durchlaufen, der bis zu zwei Wochen dauern kann. Und dieses umgekehrte Origami muss genau richtig sein, damit das Teleskop richtig funktioniert.

Währenddessen wird JWST zu einem zusätzlichen kalten Punkt reisen, der 1 Million Meilen von der Erde entfernt liegt, wo die Raumsonde ihr Leben verbringen und so viel Infrarotlicht wie möglich sammeln wird. Es ist ein extrem komplizierter Start und eine extrem komplizierte Mission mit vielen Möglichkeiten, auf dem Weg schief zu gehen. Aber wenn alles gut geht, wird den Astronomen der Welt in den nächsten fünf bis zehn Jahren ein unglaublich leistungsfähiges Werkzeug zur Verfügung stehen.

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Die beeindruckenden Spezifikationen

Das erste, was Sie über JWST wissen sollten, ist, dass es riesig ist. Das Teleskop verfügt über einen lichtsammelnden Spiegel, der mehr als 6,5 m breit ist. Zum Vergleich: Hubbles Spiegel hat einen Durchmesser von knapp 2,4 Metern und war für die Abbildung einiger der ikonischsten Objekte verantwortlich, die wir je im Universum gesehen haben. Dank seines größeren Spiegels ist JWST zwischen 10 und 100 Mal empfindlicher als Hubble, sodass es sehr schwache Objekte am Himmel erkennen kann.

„Man kann sich einen Teleskopspiegel wie einen Lichtkübel vorstellen“, sagt Amber Straughn, stellvertretende Projektwissenschaftlerin für JWST am Goddard Space Flight Center der NASA, gegenüber The Verge. „Je größer der Spiegel oder je größer der Eimer, desto mehr Zeug sammelt man. Und natürlich handelt es sich in diesem Fall um Photonenlicht aus dem fernen Universum.“

JWSTs Hauptspiegel wird bei Northrop Grumman getestet Bild: Northrop Grumman

Um diesen massiven Spiegel zusammenzubauen, mussten die Ingenieure von JWST ihn in Einzelteilen bauen. Es besteht aus 18 sechseckigen Segmenten des leichten Elements Beryllium, jedes etwa so groß wie ein Couchtisch. Zusammen müssen sich die Segmente fast perfekt ausrichten und sich so präzise bewegen, dass sie innerhalb eines Bruchteils einer Lichtwellenlänge ausgerichtet sind, was etwa 1/10.000 des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht.

“Jeder Spiegel muss mit einer sehr kleinen Toleranz zu den anderen Spiegeln passen, damit sie beim Ausrichten wie ein einzelner Spiegel wirken, “ Lee Feinberg, der Manager für optische Teleskopelemente für JWST am Goddard Space Flight Center der NASA, sagt gegenüber The Verge.

„sie verhalten sich, als ob sie ein einzelner Spiegel wären“

Ein wesentliches Merkmal des Spiegels ist, dass er mit einer Goldschicht überzogen ist, die etwa 200-mal dünner ist als das durchschnittliche menschliche Haar. Das Gold ermöglicht es JWST, im Infraroten zu sehen – eine Art von Licht, die mit einigen der am weitesten entfernten Galaxien und Sterne im Kosmos in Verbindung gebracht wird. Da sich das Universum ausdehnt, rasen die am weitesten von der Erde entfernten Objekte viel schneller davon als Objekte, die uns näher sind. Je schneller sie wegsprinten, desto mehr wird ihr Licht gestreckt und verschiebt sich vom sichtbaren Teil des Spektrums in Richtung Infrarot. Mit seinen goldenen Spiegeln soll das JWST das Infrarotlicht von Galaxien sehen können, die bis zu 13,6 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind.

Und genau das macht das Teleskop zu einem Fenster in die Vergangenheit. Das Licht von Objekten, die 13,6 Milliarden Lichtjahre entfernt sind, wird so viele Jahre gebraucht haben, um den Spiegel des Teleskops zu erreichen. Da wir glauben, dass das Universum ungefähr 13,8 Milliarden Jahre alt ist, bedeutet dies, dass diese Objekte nur etwa 100 bis 250 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind.

Das Beobachten im Infraroten ist jedoch unglaublich schwierig. Infrarotlicht wird mit Wärme in Verbindung gebracht, die von allem mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt abgegeben wird. JWST kann nicht in der Umlaufbahn unseres Planeten oder irgendwo auf der Erde leben; die Wärme der Erde und ihrer Atmosphäre würde die Beobachtungen stören. Sogar das Teleskop selbst muss extra kalt sein, damit es nicht zu viel Wärme produziert und seine eigenen Beobachtungen verwirft. Aus diesem Grund wird JWST an einen Ort geschickt, der 1 Million Meilen von unserer Welt entfernt ist, bekannt als Lagrange-Punkt zwischen Erde und Sonne, wo die Anziehungskraft und die Zentrifugalkräfte genau richtig sind, damit das Teleskop in einer stabilen Umlaufbahn bleibt. An diesem Lagrange-Punkt wird JWST immer mehr oder weniger die gleiche Entfernung und Position von der Erde haben.

Selbst in dieser weiten Entfernung ist die Wärme der Sonne immer noch ein Problem. Um besonders kühl zu bleiben, ist JWST mit einem sogenannten Sonnenschutz ausgestattet. Es besteht aus fünf ultradünnen Schichten eines Materials namens Kapton, die jeweils die Größe eines Tennisplatzes haben und übereinander gestapelt sind. Die äußerste Schicht ist immer der Sonne zugewandt und reflektiert den größten Teil ihrer Wärme bei sengenden 230 Grad Fahrenheit. Aber jede nachfolgende Schicht wird kühler und kühler, damit die Instrumente von JWST schön und kryogen bleiben und bei etwa minus 370 Grad Fahrenheit betrieben werden.

Eine unruhige Geschichte

Die Reise von JWST zum Launchpad war lang und holprig. Nach jahrelangen Diskussionen darüber, wie das nächste große Weltraumteleskop nach Hubble aussehen sollte, empfahlen Astronomen des Space Telescope Science Institute 1996 offiziell, dass die NASA ein neues Infrarot-Weltraumteleskop mit einem 4 Meter breiten Spiegel bauen sollte. Der damalige NASA-Administrator Dan Goldin entschied jedoch, dass 4 Meter nicht groß genug seien und forderte die Missionsdesigner auf, die Größe auf über 8 Meter zu erhöhen.

Diese Entscheidung machte den Bau des Raumfahrzeugs viel komplexer. Der massive Spiegel bedeutete, dass JWST zusammengeklappt starten musste, da keine verfügbare Rakete groß genug war, um das Raumfahrzeug in seiner endgültigen Konfiguration aufzunehmen. Und die Wahrheit war, dass die Technologien, die zur Verwirklichung des Teleskops erforderlich sind – wie das System und die Mechanik, die zum perfekten Ausrichten dieser Spiegel erforderlich sind – noch erfunden werden mussten.

„Der nächste Stolperstein war, dass es viel teurer ist, als wir dachten“, sagt Thomas Zurbuchen, stellvertretender Administrator des Science Mission Directorate bei der NASA, gegenüber The Verge.

„ es ist viel teurer als wir dachten”

Ursprünglich hofften Astronomen, JWST irgendwann zwischen 2007 und 2011 zu starten, was geschätzte Kosten zwischen einer Milliarde US-Dollar und 3,5 Milliarden US-Dollar kostete. Aber im Laufe der Jahrzehnte stiegen die Kosten von JWST weiter, während das Startdatum immer wieder verschoben wurde. Schließlich schlug der Gesetzgeber vor, das Projekt wegen des Schneeballbudgets vollständig abzubrechen. Die NASA plante die Mission dann im Jahr 2011 komplett neu, und der Kongress stimmte zu, das Projekt weiter zu finanzieren, während die Gesamtlebensdauer des Teleskops auf 8,8 Milliarden US-Dollar begrenzt wurde. Ein neuer Starttermin wurde für 2018 festgelegt.

Aber die Kosten stiegen weiter, während die Entwicklung zum Stillstand kam. Während die Ingenieure begannen, das Teleskop zusammenzusetzen und zu testen, um es für den Weltraum vorzubereiten, gab es alle möglichen Probleme. Während das Teleskop bei Northrop Grumman, dem Hauptauftragnehmer für das Raumfahrzeug, stand, lösten sich scheinbar irgendwann Schrauben und Unterlegscheiben vom Fahrzeug, Ingenieure fanden Risse in der Sonnenblende und jemand legte während eines Tests zu hohe Spannung an, um nur einige Fehler zu nennen. Schließlich, im Jahr 2018, Die NASA hat die endgültigen Kosten für das Programm festgelegt: satte 9,7 Milliarden US-Dollar, um sowohl die Entwicklung als auch den Betrieb der Raumsonde im Weltraum abzudecken. Die Agentur gab auch zu, dass sie in diesem Jahr nicht auf den Markt kommen würde.

Neue Kontroversen über JWST während der Endausdehnung des Teleskops. Anfang dieses Jahres äußerte eine Gruppe von Astronomen Bedenken über den Namensgeber des Teleskops, James Webb, einen NASA-Administrator während des Apollo-Programms, der den ehrgeizigen Plan der Vereinigten Staaten beaufsichtigte, Menschen auf den Mond zu bringen. In einem im Scientific American veröffentlichten Artikel forderten drei Astronomen die NASA auf, das Teleskop umzubenennen, unter Berufung auf die Tatsache, dass Webb ein hochrangiger Beamter in der Truman-Administration während der Lavender Scare war – als LGBTQ-Personen ins Visier genommen und aus der Bundesbelegschaft entfernt wurden . Letztendlich beschloss die NASA, das Teleskop nicht umzubenennen, nachdem sie ihre eigenen internen Untersuchungen durchgeführt und behauptet hatte, keine Beweise für eine Beteiligung von Webb finden zu können. Die Untersuchung wurde jedoch dafür kritisiert, dass sie nicht tief genug ging.

„Bei Webb gibt es keine kleinen Fehler, die kleine Konsequenzen haben. Du musst nahe an Perfektion sein.“

Mit seinem noch immer umstrittenen Namen wurde JWST im Oktober schließlich zu seinem Startplatz in Französisch-Guayana verschifft. Die Probleme der Marke hörten nicht auf, als sie in Südamerika ankam. Der Start des Teleskops war ursprünglich für den 18. Dezember angesetzt, wurde jedoch aufgrund einiger Pannen zweimal verzögert, darunter ein gebrochenes Klemmband, das unerwartete Vibrationen durch das Teleskop schickte, und ein unvorhergesehenes Kommunikationsproblem zwischen der Rakete und ihren Bodensystemen. Das Problem mit der Klemme wurde gelöst, aber letzteres dauert noch an – obwohl die NASA behauptet, es sollte kein Problem für den Start sein.

Wie Zurbuchen erklärt, müssen bei einem Problem alle Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden auftritt, egal wie klein ein Problem es erscheinen mag. Der Bau des Raumschiffs hat so lange gedauert und so viel Geld gekostet, dass alles richtig laufen muss. Andernfalls besteht das Risiko eines 10-Milliarden-Dollar-Teleskops, das im Weltraum tot ist.

„Kleine Fehler … die allermeisten haben kleine Folgen“, sagt Zurbuchen. „Bei Webb gibt es keine kleinen Fehler, die kleine Konsequenzen haben. Du musst nahezu perfekt sein.“

Einführung ist nur der Anfang

Ab sofort soll JWST am 25. Dezember um 7:20 Uhr ET starten. Ihre Fahrt ins All, die Ariane-5-Rakete, ist seit ungefähr zwei Jahrzehnten Europas führende Rakete. Die Auswahl der Ariane 5 ist nicht nur eine äußerst leistungsfähige Rakete mit einer starken Startbilanz, sondern bringt auch die europäischen Partner der NASA zu einer wahrhaft globalen Mission.

Der Start selbst sollte dauern ungefähr 26 Minuten bevor sich JWST von der Ariane 5-Rakete trennt. Es ist zwar immer riskant, in den Weltraum zu fliegen, aber es gibt noch mehr Angst, wenn JWST tatsächlich frei von der Ariane 5 ist. “Der Start ist wirklich nur der Anfang”, sagt Straughn.

“Der Start ist wirklich nur der Anfang.”

Wenn mit dem Start von JWST alles gut geht, beginnen dann die „29 Tage am Rande“ – ein von der NASA geprägter Begriff. Es ist ein unheilvoller Satz, um den komplizierten Entfaltungsprozess des Teleskops zu beschreiben. Sobald sie von der Rakete befreit und auf dem Weg zu ihrem Ziel 1 Million Meilen von der Erde entfernt ist, wird sich die Raumsonde langsam entfalten und wie eine mechanische Blume blühen.

Das erste, was JWST direkt nach dem Start tun muss, ist, sein Solarpanel einzusetzen, um die Energie von der Sonne zu sammeln, die zum Antrieb des gesamten Raumfahrzeugs benötigt wird. Am nächsten Tag im Weltraum wird es seine für die Kommunikation mit der Erde erforderliche Antenne mit hoher Verstärkung einsetzen. Danach beginnt das wirklich wilde umgekehrte Origami. JWST wird seine Form ändern und beginnen, seinen empfindlichen Sonnenschutz zu entfalten, ein Prozess, der Tage dauern wird. Wenn das gut geht, fährt das Teleskop seinen Hauptspiegel vollständig aus.

Auch wenn das Entrollen abgeschlossen ist Nach ungefähr zwei Wochen wird JWST nicht an seinem endgültigen Ziel sein – es wird noch Wochen dauern. Etwas weniger als einen Monat nach dem Start wird das Teleskop seine bordeigenen Triebwerke abfeuern, um sich an seinem vorgesehenen Lagrange-Punkt in seine endgültige Position zu bringen.

Unnötig zu erwähnen, dass viele Astronomen, Ingenieure und Wissenschaftler nicht viel Ruhe bekommen, bis die ganze Sache vorbei ist. Und es gibt viele Momente, in denen eine ausgefallene Riemenscheibe oder ein klebriger Aktuator die Zukunft der gesamten Mission gefährden könnte.

Aber wenn alles gut geht, dann wird die NASA bald unglaublich scharfe Augen haben im Himmel. Das Teleskop muss einige Zeit abkühlen, wenn es seine endgültige Umlaufbahn erreicht, und dann werden die Ingenieure einige Monate brauchen, um alle Instrumente auf ihre Funktionsfähigkeit zu testen. Aber schon in diesem Sommer könnte JWST die ersten atemberaubenden Bilder machen. Für Astronomen wird sich das Warten lohnen.

„Ich glaube wirklich, dass dieses Teleskop für die Astrophysik von entscheidender Bedeutung sein wird“, sagt Straughn. „Ich denke, wir werden Dinge über das Universum erfahren, die uns völlig überraschen, und das ist eine der aufregendsten Aussichten, wenn wir ein großes, kühnes Teleskop wie dieses ins All bringen. Wir lernen Dinge, die wir nie erwartet hätten.“