Wie das James-Webb-Teleskop „seltsame und bizarre Welten finden soll“ | James Webb-Weltraumteleskop

James Webb-Weltraumteleskop

Nach ihrem ersten vollen Kalenderjahr nutzen Astronomen die Sonde, um auf Tausenden neu entdeckten Planeten nach Leben zu suchen

Sa. 23. Dez. 2023 18.00 Uhr MEZ

Es gibt eine ferne Welt, in der Quarzkristalle über einer glühend heißen, aufgeblähten Atmosphäre schweben. Verdampfte Sandkörner, keine Wassertröpfchen, bilden die Wolken, die den Himmel auf Wasp-107b füllen, einem Planeten 1.300 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Dann ist da noch GJ1214, der Saunaplanet. Mit einer Masse, die achtmal so groß ist wie die der Erde, umkreist er seinen Mutterstern in einer Entfernung, die einem Siebzigstel der Lücke zwischen Erde und Sonne entspricht, und scheint von einer dicken, dichten Atmosphäre umgeben zu sein, die große Mengen Dampf enthält.

Oder es gibt die riesigen, jupitergroßen Planeten des Orionnebels, die frei im Weltraum schwebend entdeckt wurden, Schurkenwelten, die mit keinem Mutterstern verbunden zu sein scheinen – zum Erstaunen der Astronomen.

Diese seltsamen, abgelegenen Planeten könnten nicht vielfältiger und dramatischer unterschiedlich sein – obwohl sie ein gemeinsames Merkmal haben. Ihre Wunder werden jetzt vom James Webb-Weltraumteleskop (JWST) enthüllt.

Das 10 Milliarden US-Dollar teure Roboter-Observatorium wurde am Weihnachtstag 2021 ins Leben gerufen und verändert derzeit unser Wissen über die Planeten unserer Galaxie. „Es dauerte sechs Monate, das Teleskop zu positionieren und seine Systeme ordnungsgemäß in Betrieb zu nehmen – was bedeutet, dass 2023 das erste volle Kalenderjahr in Betrieb war“, sagte die Astrophysikerin Dr. Hannah Wakeford von der Universität Bristol. „Die Ergebnisse haben alle unsere Erwartungen übertroffen.“

Der JWST besteht aus einem 6,5 Meter langen, vergoldeten Spiegel; ein Sonnenschutz in der Größe eines Tennisplatzes; und eine Reihe komplexer Instrumente, die auf Temperaturen von nur wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Diese Funktionen ermöglichen es dem Teleskop, den Himmel im Infrarotlicht zu beobachten und Details des Universums unmittelbar nach seiner Urknallgeburt vor 13,8 Milliarden Jahren sowie Bilder von Sternen zu offenbaren, die in Staubwolken geboren werden.

Das JWST macht der Wissenschaft jedoch noch ein weiteres Geschenk: Denn Infrarotstrahlung erweist sich auch als ideal für die Untersuchung extrasolarer Planeten, sogenannter Exoplaneten, wie Welten genannt werden, die andere Sterne umkreisen. Damit löst das Teleskop eine astronomische Revolution aus.

Jahrhundertelang waren die einzigen Planeten, die wir Menschen kannten, die wenigen, die wir in unserem Sonnensystem sehen konnten. Aber war die Familie der Sonne typisch, fragten sich Wissenschaftler? Gab es anderswo in der Galaxie viele Planeten oder waren sie selten? Diese Fragen waren von entscheidender Bedeutung, da das letztere Szenario – ein kosmischer Mangel an Planeten – bedeuten würde, dass außerirdisches Leben wahrscheinlich ebenfalls knapp wäre.

Das Problem für die Astronomen war die einfache Tatsache, dass Sterne sehr hell sind, Planeten jedoch viel kleiner und sehr viel schwächer sind und neben ihren leuchtenden himmlischen Eltern nicht entdeckt werden konnten. Erst Ende des letzten Jahrhunderts gelang es einer neuen Generation hochempfindlicher Kameras, die an Teleskopen und umlaufenden Observatorien angebracht wurden, die leichte Verdunkelung von Exoplaneten zu lokalisieren, wenn sie vor Sternen vorbeizogen.

Nachdem die ersten paar dieser Transitbeobachtungen gemacht worden waren, begannen sich die Entdeckungen dramatisch zu vermehren. Heute liegt die Gesamtzahl der beobachteten Exoplaneten laut NASAs Archiv für extrasolare Planeten bei 5.566.

Entscheidend ist, dass sich mehrere Hundert relativ nahe an der Erde befinden und diese nun reif für die Untersuchung mit dem JWST sind, sagen Astronomen. Wasp-107b und seine Quarzwolken sowie die Schurkenwelten des Orionnebels wurden zusammen mit einer Vielzahl anderer Exoplaneten bereits untersucht.

„Nachdem wir alle diese Welten gefunden haben, sind wir nun in der glücklichen Lage, sie im Detail zu untersuchen, ihre Atmosphären zu analysieren und sogar ihre Merkmale zu kartieren, als wir vor drei Jahrzehnten nicht sicher wussten, ob sie überhaupt existierten“, sagte er Astrophysiker Prof. Jayne Birkby von der Universität Oxford.

Ein frühes Ziel für Astronomen, die das JWST nutzten, war Trappist-1, ein kleiner, kühler Stern einer Art, die als Roter Zwerg bekannt ist. Vierzig Lichtjahre von der Erde entfernt beherbergt es eine Familie aus sieben kleinen Felswelten, von denen drei in einer Region liegen, die als bewohnbare Zone bekannt ist. Hier sind die Bedingungen nicht zu heiß und nicht zu kalt, um zu verhindern, dass Wasser in flüssiger Form vorliegt, eine Grundvoraussetzung für das Gedeihen von Leben, sagen Astrobiologen.

Analysen – mithilfe des JWST – von zwei der innersten Planeten des Sterns, Trappist-1b und Trappist-1c, haben jedoch ergeben, dass sie entweder keine oder nur eine sehr dünne Atmosphäre besitzen. Weitere JWST-Studien zum Rest des Systems sind derzeit in Planung. „Das System von Trappist-1 sieht immer noch vielversprechend aus, wenn man nach einer Welt sucht, die Leben ermöglichen könnte“, sagte der Astronom Dr. Jo Barstow von der Open University.

Ein besonderes Problem betrifft jedoch Studien an Sternen wie Trappist-1. Rote Zwerge sind fleckig. Das hört sich vielleicht nicht wie eine unheilbare Erkrankung an, hat aber schwerwiegende Folgen, fügte Barstow hinzu. „Unsere eigene Sonne hat Sonnenflecken, die mit intensiver Sonnenaktivität verbunden sind, aber es gibt relativ wenige. Im Gegensatz dazu weist Trappist-1 Dutzende von Flecken auf, die sich ständig ändern, und das macht es sehr schwierig, zwischen diesen und den Merkmalen der Atmosphäre eines Planeten zu unterscheiden. Das Trappist-1-System wird seine Geheimnisse nicht so leicht preisgeben.“

Letztendlich suchen Astronomen, die das JWST nutzen, um nach Anzeichen außerirdischen Lebens zu suchen, nach einer Reihe biologischer Marker, die als „Big Four“ bekannt sind: Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasser und Methan. Ihre Anwesenheit in der Atmosphäre eines Exoplaneten wäre ein starkes Zeichen dafür, dass dort Leben existiert.

„Die genauen Proportionen würden jedoch variieren“, sagte Birkby. „Die Erde hat eine Atmosphäre, die zu 21 % aus Sauerstoff besteht, aber das wäre vor 2,5 Milliarden Jahren ganz anders gewesen, als es noch sehr wenig Sauerstoff gegeben hätte. Das große Oxidationsereignis – das stattfand, als Cyanobakterien in den Ozeanen begannen, durch Photosynthese Sauerstoff zu produzieren – hatte noch nicht begonnen. Allerdings gab es damals noch Leben auf der Erde.“

Es bleibt abzuwarten, was Wissenschaftler aus einer Welt machen werden, deren Atmosphäre alle Big Four enthält. „Bei den heutigen erdähnlichen Mengen wäre es schwer, nicht aufgeregt zu sein“, fügte Birkby hinzu.

Andere mahnen jedoch zur Vorsicht. „Selbst wenn Sie ein perfektes Profil von Gasen und Wasserdampf in der Atmosphäre eines Exoplaneten erhalten, werden Sie immer noch nur indirekte Messungen durchführen, und zu sagen, dass Sie auf dieser Grundlage definitiv Leben gefunden haben, ist schwer zu rechtfertigen“, sagte Barstow.

„Selbst wenn Sie sich der Behauptung zu 99 % sicher wären, gäbe es immer noch einen nagenden Zweifel daran, dass das, was Sie beobachteten, auf nichtbiologische Phänomene zurückzuführen sei.“

Die Lebensdauer des James-Webb-Weltraumteleskops verspricht faszinierend – und langwierig zu werden. Der Flug des JWST mit einer Ariane-5-Rakete von der Startrampe der Europäischen Weltraumorganisation in Kourou in Französisch-Guayana zu seiner aktuellen Position im Orbit um die Sonne verlief nahezu fehlerfrei. Das Observatorium verbrauchte sehr wenig Treibstoff, um sich an seinen genauen Zielort zu manövrieren – und das bedeutet, dass es mehr Treibstoff geben wird, damit sich das Teleskop viel länger als erwartet ausrichten kann. Raumfahrtingenieure haben berechnet, dass die erwartete zehnjährige Lebensdauer des JWST verdoppelt werden könnte.

„In vielerlei Hinsicht sind das sehr gute Nachrichten“, sagte der Astronom Professor Stephen Wilkins von der University of Sussex. „Wir werden jetzt in der Lage sein, viel mehr Wissenschaft damit zu betreiben. Allerdings wird das Teleskop im Laufe der Jahre verfallen, da es von Meteoriten und kosmischer Strahlung getroffen wird. Dadurch wird sich die Leistung langsam verschlechtern, daher sollten wir das Beste daraus machen, solange es unter nahezu optimalen Bedingungen läuft.“

Wilkins‘ Spezialgebiet ist die Erforschung von Galaxien und Schwarzen Löchern. „Dennoch denke ich, dass die aufregendste Wissenschaft, die das JWST leisten wird, Exoplaneten betrifft“, sagte er. „Wir werden so viel über die Chemie ihrer Atmosphären lernen und dort draußen einige sehr seltsame und bizarre Welten finden. Es ist unheimlich spannend.“