Die NASA wird voraussichtlich am 12. Juli 2022 die ersten Bilder des James-Webb-Weltraumteleskops veröffentlichen. Sie werden den Beginn der nächsten Ära in der Astronomie markieren, da Webb – das größte jemals gebaute Weltraumteleskop – beginnt, wissenschaftliche Daten zu sammeln, die helfen werden beantworten Fragen zu den frühesten Momenten des Universums und ermöglichen es Astronomen, Exoplaneten detaillierter als je zuvor zu untersuchen. Aber es hat fast acht Monate Reise, Einrichtung, Tests und Kalibrierung gekostet, um sicherzustellen, dass dieses wertvollste aller Teleskope für die Hauptsendezeit bereit ist. Marcia Rieke, Astronomin an der University of Arizona und verantwortliche Wissenschaftlerin für eine der vier Kameras von Webb, erklärt, was sie und ihre Kollegen getan haben, um dieses Teleskop zum Laufen zu bringen.
1. Was ist seit dem Start des Teleskops passiert?
Nach dem erfolgreichen Start des James-Webb-Weltraumteleskops am 25. Dezember 2021 begann das Team mit dem langen Prozess, das Teleskop in seine endgültige Orbitalposition zu bringen, das Teleskop zu entfalten und – als alles abgekühlt war – die Kameras und Sensoren an Bord zu kalibrieren.
Der Start verlief so reibungslos, wie ein Raketenstart gehen kann. Eines der ersten Dinge, die meinen Kollegen bei der NASA auffielen, war, dass das Teleskop mehr verbleibenden Treibstoff an Bord hatte als vorhergesagt, um zukünftige Anpassungen an seiner Umlaufbahn vorzunehmen. Dies wird es Webb ermöglichen, viel länger als das ursprüngliche 10-Jahres-Ziel der Mission zu operieren.
Die erste Aufgabe während Webbs einmonatiger Reise zu seinem endgültigen Standort im Orbit bestand darin, das Teleskop zu entfalten. Dies verlief reibungslos, angefangen mit dem ruckelfreien Aufstellen des Sonnenschutzes, der zur Kühlung des Teleskops beiträgt, gefolgt von der Ausrichtung der Spiegel und dem Einschalten der Sensoren.
Sobald die Sonnenblende geöffnet war, begann unser Team mit der Überwachung der Temperaturen der vier Kameras und Spektrometer an Bord und wartete darauf, dass sie Temperaturen erreichten, die niedrig genug waren, damit wir jeden der 17 verschiedenen Modi testen konnten, in denen die Instrumente arbeiten können.
NASA Goddard Space Center/Wikimedia Commons
2. Was haben Sie zuerst getestet?
Die Kameras auf Webb kühlten wie von den Ingenieuren vorhergesagt ab, und das erste Instrument, das das Team einschaltete, war die Nahinfrarotkamera – oder NIRCam. NIRCam wurde entwickelt, um das schwache Infrarotlicht zu untersuchen, das von den ältesten Sternen oder Galaxien im Universum erzeugt wird. Doch zuvor musste NIRCam dabei helfen, die 18 einzelnen Segmente von Webbs Spiegel auszurichten.
Sobald NIRCam auf minus 280 F abgekühlt war, war es kalt genug, um Licht zu erkennen, das von Webbs Spiegelsegmenten reflektiert wurde, und die ersten Bilder des Teleskops zu erzeugen. Das NIRCam-Team war begeistert, als das erste Lichtbild eintraf. Wir waren im Geschäft!
Diese Bilder zeigten, dass die Spiegelsegmente alle auf einen relativ kleinen Bereich des Himmels zeigten und die Ausrichtung viel besser war als die Worst-Case-Szenarien, die wir geplant hatten.
Zu dieser Zeit ging auch Webbs Fine Guidance Sensor in Betrieb. Dieser Sensor hilft dabei, das Teleskop stabil auf ein Ziel auszurichten – ähnlich wie die Bildstabilisierung in Digitalkameras für Verbraucher. Unter Verwendung des Sterns HD84800 als Referenzpunkt halfen meine Kollegen im NIRCam-Team, die Ausrichtung der Spiegelsegmente einzustellen, bis sie praktisch perfekt war, weit besser als das für eine erfolgreiche Mission erforderliche Minimum.
3. Welche Sensoren erwachten als nächstes zum Leben?
Als die Spiegelausrichtung am 11. März abgeschlossen war, beendeten der Nahinfrarot-Spektrograph – NIRSpec – und der Nahinfrarot-Imager und schlitzlose Spektrograph – NIRISS – die Abkühlung und schlossen sich der Party an.
NIRSpec wurde entwickelt, um die Stärke verschiedener Lichtwellenlängen zu messen, die von einem Ziel kommen. Diese Informationen können die Zusammensetzung und Temperatur entfernter Sterne und Galaxien enthüllen. NIRSpec tut dies, indem es sein Zielobjekt durch einen Schlitz betrachtet, der anderes Licht fernhält.
NIRSpec hat mehrere Schlitze, die es ihm ermöglichen, 100 Objekte gleichzeitig zu betrachten. Die Teammitglieder begannen mit dem Testen des Modus mit mehreren Zielen, indem sie den Schlitzen befahlen, sich zu öffnen und zu schließen, und sie bestätigten, dass die Schlitze korrekt auf Befehle reagierten. Zukünftige Schritte werden genau messen, wohin die Schlitze zeigen, und prüfen, ob mehrere Ziele gleichzeitig beobachtet werden können.
NIRISS ist ein spaltloser Spektrograph, der Licht auch in seine verschiedenen Wellenlängen zerlegt, aber er ist besser in der Lage, alle Objekte in einem Feld zu beobachten, nicht nur diejenigen auf Spalten. Es verfügt über mehrere Modi, darunter zwei, die speziell für die Untersuchung von Exoplaneten entwickelt wurden, die sich besonders nahe an ihren Muttersternen befinden.
Bisher verliefen die Instrumentenprüfungen und -kalibrierungen reibungslos, und die Ergebnisse zeigen, dass sowohl NIRSpec als auch NIRISS noch bessere Daten liefern werden, als die Ingenieure vor dem Start vorhergesagt hatten.
NASA/JPL-Caltech (links), NASA/ESA/CSA/STScI (rechts)/Flickr, CC BY
4. Welches Instrument wurde zuletzt eingeschaltet?
Das letzte Instrument zum Hochfahren auf Webb war das Mid-Infrared Instrument oder MIRI. MIRI wurde entwickelt, um ferne oder neu entstandene Galaxien sowie schwache, kleine Objekte wie Asteroiden zu fotografieren. Dieser Sensor erkennt die längsten Wellenlängen von Webbs Instrumenten und muss auf minus 449 F gehalten werden – nur 11 Grad F über dem absoluten Nullpunkt. Wenn es wärmer wäre, würden die Detektoren nur die Wärme des Instruments selbst aufnehmen, nicht die interessanten Objekte im Weltraum. MIRI verfügt über ein eigenes Kühlsystem, das zusätzliche Zeit benötigte, um vollständig betriebsbereit zu sein, bevor das Instrument eingeschaltet werden konnte.
Radioastronomen haben Hinweise darauf gefunden, dass es Galaxien gibt, die vollständig unter Staub verborgen sind und von Teleskopen wie Hubble nicht entdeckt werden können, die Wellenlängen des Lichts einfangen, die denen ähneln, die für das menschliche Auge sichtbar sind. Die extrem kalten Temperaturen machen MIRI unglaublich empfindlich gegenüber Licht im mittleren Infrarotbereich, das Staub leichter durchdringen kann. Wenn diese Empfindlichkeit mit Webbs großem Spiegel kombiniert wird, ermöglicht es MIRI, diese Staubwolken zu durchdringen und zum ersten Mal die Sterne und Strukturen in solchen Galaxien zu enthüllen.
5. Was kommt als nächstes für Webb?
Ab dem 15. Juni 2022 sind alle Instrumente von Webb eingeschaltet und haben ihre ersten Bilder aufgenommen. Darüber hinaus wurden vier Bildgebungsmodi, drei Zeitreihenmodi und drei spektroskopische Modi getestet und zertifiziert, sodass nur noch drei übrig bleiben.
Am 12. Juli plant die NASA die Veröffentlichung einer Reihe von Teaser-Beobachtungen, die die Fähigkeiten von Webb veranschaulichen. Diese werden die Schönheit der Webb-Bilder zeigen und den Astronomen einen echten Vorgeschmack auf die Qualität der Daten geben, die sie erhalten werden.
Nach dem 12. Juli wird das James-Webb-Weltraumteleskop in Vollzeit an seiner wissenschaftlichen Mission arbeiten. Der detaillierte Zeitplan für das kommende Jahr wurde noch nicht veröffentlicht, aber Astronomen auf der ganzen Welt warten gespannt darauf, die ersten Daten vom leistungsstärksten Weltraumteleskop, das jemals gebaut wurde, zu erhalten.