Heute, 365 Tage nachdem die NASA die ersten Daten und Bilder der Mission enthüllt hat, ist klar, dass das JWST die harten wissenschaftlichen und schönen Aufnahmen gleichermaßen souverän produzieren kann. Die NASA feiert den ersten Jahrestag des wissenschaftlichen Debüts des JWST mit der Veröffentlichung eines neuen Bildes, das die Fähigkeit des Teleskops demonstriert, sich das Universum neu vorzustellen. Das dramatische, etwas halluzinatorische Bild fängt die Dynamik des Rho-Ophiuchi-Wolkenkomplexes ein, der der Erde am nächsten gelegenen Sternentstehungsregion, in der sich Planetensysteme wie unseres im Anfangsstadium der Entstehung befinden könnten.
„Das Teleskop funktioniert besser, als wir es uns erhofft hatten“, sagte NASA-Astrophysikerin Jane Rigby, die Anfang dieses Monats leitende Projektwissenschaftlerin für das JWST wurde.
Die wissenschaftliche Gemeinschaft war bei der Planung ihrer Agenda für das erste Jahr der Beobachtungen etwas konservativ, aber das nächste Jahr der Wissenschaft werde die Möglichkeiten des Teleskops voll ausschöpfen, sagte Rigby. „Im zweiten Jahr werden wir mutiger.“
Die Reise des JWST um die Sonne verlief nicht ohne Bremsschwellen. Das erste Jahr des wissenschaftlichen Betriebs beinhaltete aus Sicherheitsgründen eine kurze Pause bei der Datenerfassung und eine herzzerreißende Kollision mit Weltraumstaub, die die Projektmanager von nun an dazu zwang, das Observatorium mehr oder weniger rückwärts zu fliegen.
Aber die Wissenschaftler, die mit den heruntergeladenen Daten des Teleskops arbeiten, sind von seiner Leistung begeistert, da es in den Infrarotbereich des Spektrums blickt und Licht sammelt, das sein Vorgänger, das Hubble-Weltraumteleskop, nicht sammeln kann.
Die große Schlagzeile ist bisher, dass das JWST im frühen Universum viele überraschend helle Galaxien gesehen hat. Das erwies sich als etwas verwirrend.
Nein, das JWST hat die Urknalltheorie nicht widerlegt. Die Kosmologie ist nicht den Weg der Phrenologie gegangen. Aber die Beobachtungen von so viel Licht aus der frühen Phase der Galaxienentstehung führten zu großer Verunsicherung. Beobachtung und Theorie waren nicht perfekt aufeinander abgestimmt.
„Ich denke, es gibt eine Spannung“, sagte der Physiker Massimo Stiavelli, Leiter der JWST-Mission am Space Telescope Science Institute in Baltimore. „Das lässt sich nicht leugnen, denn die Dinge sind anders, als wir dachten.“
Wichtige Entdeckungen vom JWST
Das JWST wurde Ende der 1980er Jahre als Nachfolger des noch nicht gestarteten Hubble konzipiert, erlitt jedoch viele Jahre lang Verzögerungen und Beinahe-Zusammenstöße mit budgetorientierten Gesetzgebern. Es handelt sich um eine Investition von 10 Milliarden US-Dollar. Es ist nicht mit den modularen Funktionen ausgestattet, die Ersatzteile ermöglichen würden, wenn etwas schief geht.
Außerdem befindet es sich weit draußen im Weltraum, in einer gravitativ stabilen Umlaufbahn um die Sonne namens L2, die es etwa eine Million Meilen von der Erde entfernt hält. Die NASA verfügt derzeit nicht über Raumschiffe, um Astronauten nach L2 und zurück zu befördern.
All dies verstärkt die Freude der Wissenschaftler, dass das Teleskop wie geplant funktioniert.
Für ein Teleskop dieser Bauart ist ein Jahr eine große Sache. Die Spiegel des Teleskops müssen extrem kalt bleiben und dürfen nicht in die Nähe der Sonne ausgerichtet werden. Erwarten Sie also keine schönen JWST-Bilder der Venus. Aber eine vollständige Umlaufbahn gibt dem Teleskop die Chance, den größten Teil des Universums abzudecken.
JWST, das am Weihnachtsmorgen 2021 startete, hat tatsächlich anderthalb Umlaufbahnen absolviert, aber die ersten sechs Monate waren dem Einsatz seines riesigen Spektrums an goldbeschichteten Raketen gewidmet Sechseckige Spiegel und ein weitläufiger Sonnenschutz halten sie kühl und die Instrumente werden verfeinert.
Das von diesen Spiegeln gesammelte Licht trägt Informationen über mehrere Schichten des Universums, von den entferntesten, dunkelsten und kaum wahrnehmbaren Galaxien bis hin zu extravaganteren Galaxien im Vordergrund und sternbildenden Staub- und Gaswolken in unserer eigenen Milchstraße. Und es hat sich unsere unmittelbare Nachbarschaft, das Sonnensystem, angesehen und liefert plakative Bilder von Jupiter und Saturn, die mit wissenschaftlichen Daten vollgestopft sind.
Im frühen Universum hat das JWST seine interessantesten und manchmal rätselhaftesten Untersuchungen durchgeführt. Ziel ist es zu verstehen, wie sich das frühe Universum entwickelte, wie Galaxien entstanden und wie wir dorthin gelangten, wo wir sind – auf einem Planeten, der einen Stern in einem der Spiralarme einer großen Galaxie umkreist.
„Unsere Heimat ist die Milchstraße“, sagte Brant Robertson, theoretischer Astrophysiker an der University of California in Santa Cruz. „Das ist eine Galaxie. Es ist eine wunderschöne Galaxie. Wir können Bilder von innen machen. Aber es stellt sich die Frage: Wie ist es hierher gekommen? Wie ist es entstanden?“
Diese kosmische Archäologie ist der Grund, warum das JWST überhaupt gebaut wurde. Eine seltsame Eigenschaft des Universums ist, dass Licht ewig ist. Es wird schwächer, ist aber immer noch da, einschließlich des ältesten Lichts, das durch die seit dem Urknall stattfindende Ausdehnung des Weltraums stark in den Infrarotbereich des Spektrums verschoben wurde. Astrophysiker können mit dem JWST nach Extremwerten suchen Galaxien mit hoher Rotverschiebung, die immer tiefer in die Vergangenheit vordringen.
Robertson war Co-Autor eines von zwei kürzlich erschienenen Aufsätzen, die dies beschreiben die am weitesten vom JWST entdeckte und bestätigte Galaxie mit dem Namen JADES-GS-Z13-0. Es wurde bei einer Rotverschiebung von 13,2 gefunden, was etwa 320 Millionen Jahren nach dem Urknall entspricht. Es gebe Behauptungen über mögliche Galaxien mit höheren Rotverschiebungen, aber sie harren einer Bestätigung, sagte er.
Auf die Frage, wie die Galaxie aussieht, sagte er: „Es ist ein Fleck.“
Aber was wäre, wenn Sie irgendwie in ein Raumschiff steigen und sich durch verschiedene Wurmlöcher in die ferne Vergangenheit transportieren könnten, um direkt neben dieser Galaxie zu schweben? Wie würde es dann aussehen?
„Wenn Sie sich direkt daneben befinden könnten, wäre die Galaxie selbst für Ihre Augen sehr blau, weil sie Sterne bildet“, sagte Robertson. „Im frühen Universum wäre es eine sehr blaue Wunderkerze.“
Ein Rätsel über frühe Galaxien
Als Astronomen sich die JWST-Daten über das frühe Universum ansahen, entdeckten sie sofort etwas, das alle Erwartungen übertraf: eine Menge seltsam helle Galaxien.
Helligkeit ist eine Näherung für die Masse. Man geht daher normalerweise davon aus, dass sehr helle Galaxien sehr massereich sind. Aber Galaxien brauchen Zeit zum Wachsen. Die Theoretiker hatten zuvor einen allgemeinen Zeitplan für die Entwicklung früher Galaxien ausgearbeitet, und die vom JWST entdeckten Galaxien sehen auf den ersten Blick für ihr Alter bemerkenswert ausgereift aus.
Das JWST teilt den Wissenschaftlern möglicherweise mit, dass die Galaxienbildung im frühen Universum irgendwie effizienter war als bisher angenommen.
„Wir müssen einige Anpassungen an unseren Theorien darüber vornehmen, wie diese sehr frühen Galaxien entstanden und ihre Sterne wachsen ließen“, sagte er Jeyhan Kartaltepe, Astrophysiker am Rochester Institute of Technology.
„Nichts, was wir gesehen haben, lässt mich glauben, dass wir die Kosmologie gebrochen haben“, sagte Rigby. „Was es uns sagt, ist, dass Galaxien sich früher zusammengetan haben, als wir ihnen zugetraut haben.“
Für diejenigen von uns, die keine Astrophysiker sind, ist es kontraintuitiv, dass Schwarze Löcher ein weiterer Faktor für die Leuchtkraft dieser frühen Galaxien sein könnten. Obwohl ein Schwarzes Loch per Definition eine Struktur mit einem so intensiven Schwerkraftfeld ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann, kann die Region um ein Schwarzes Loch leuchten, wenn Gas und Staub überhitzt werden und in Richtung des Ereignishorizonts fallen.
Letztes Jahr sah Rebecca Larson, damals noch Doktorandin an der University of Texas in Austin, etwas Seltsames als sie Daten einer extrem weit entfernten Galaxie namens CEERS 1019 untersuchte. Sie strahlte das aus Licht vor mehr als 13 Milliarden Jahren – damals, als das Universum gerade erst ins Rollen kam und Galaxien kleine, schlecht geformte Ansammlungen heißer, junger, leuchtend blauer Sterne waren.
Larson war verwirrt über das ungewöhnlich helle Licht, das aus dem Kern von CEERS 1019 kam. „Was zum Teufel ist das?“ Sie dachte.
Was sie richtigerweise vermutete, war ein supermassereiches Schwarzes Loch. Obwohl die Galaxie noch jung war, war es bereits gelungen, ein Schwarzes Loch zu bilden, dessen Masse nach Schätzungen der Wissenschaftler 10 Millionen Sonnen entspricht. Ein Bericht von Larson und ihren Kollegen beschreibt dies als das früheste jemals entdeckte aktive supermassereiche Schwarze Loch.
Aufregung über Exoplaneten
Was das vergangene Jahr auch gezeigt hat, ist, dass das JWST, in den Worten des Astrophysikers Garth Illingworth, ein „spektroskopisches Kraftpaket“ ist. Es hat sich als spektakulär erwiesen, wenn es darum geht, die Spektren des gesammelten Lichts zu durchsuchen, das Informationen über das beobachtete Objekt enthält.
Diese Fähigkeit brachte eine der ersten großen Entdeckungen des Teleskops hervor: Kohlendioxid in der Atmosphäre eines Riesenplaneten, WASP 39b, der einen fernen Stern umkreist. Der Planet selbst ist mit der aktuellen Technologie nicht sichtbar. Wenn er jedoch vor oder hinter seinem Mutterstern vorbeizieht, verschlüsseln die Veränderungen im Sternenlicht Informationen über die Atmosphäre des Planeten.
Bis zum JWST sei es niemandem gelungen, Kohlendioxid in der Atmosphäre eines Exoplaneten definitiv nachzuweisen, sagte Knicole Colon, ein NASA-Astrophysiker.
„Als wir die spektrale Signatur dieses Merkmals zum ersten Mal sahen, war es einfach wunderschön“, sagte sie. „Es hat uns ins Gesicht getroffen. Hier ist dieses gewaltige Signal, das war fantastisch.“
Um es klar auszudrücken: Wissenschaftler, die Spektren betrachten, betrachten grafische Darstellungen von Daten, nicht tatsächliche Bilder. Larson, die das supermassereiche Schwarze Loch entdeckte, war von der spektralen Signatur einer zentralen hellen Region in dieser Galaxie so fasziniert, dass sie, wie sie es ausdrückte, „nie auf die Idee gekommen wäre, mir die tatsächlichen Bilder von JWST anzusehen.“
Dann zeigte Kartaltepe ihr das vom Teleskop aufgenommene Bild der Galaxie. Bemerkenswerterweise hatte die Galaxie drei helle Flecken, mit einem besonders hellen Fleck genau in der Mitte. Das war Larsons supermassereiches Schwarzes Loch.
„Ich habe gerade angefangen zu weinen“, sagte sie.