James-Webb-Teleskop: erste atemberaubende Bilder in die Tiefe des Weltraums

Do, 14.07.2022 — Redaktion

Nach 26 Jahren Entwicklungsarbeit von NASA, ESA und CSA befindet sich das leistungsstärkste und teuerste Weltraumteleskops, das jemals gestartet wurde, auf seiner 1,5 Millionen km entfernten Umlaufbahn. Mit den eben veröffentlichten 5 Bildern wird ein neues Fenster in der Geschichte unseres Universums aufgestoßen. Es ist ein tiefer Blick zurück in die Frühzeit des Universums, der neue Erkenntnisse zur Entstehung und Entwicklung von Galaxien, zum Lebenszyklus von Sternen und zur Atmosphäre von Exoplaneten ermöglicht.*

Das tiefste und schärfste Infrarotbild, das jemals vom fernen Universum aufgenommen wurde, wurde vorgestern Abend enthüllt - ein atemberaubendes Bild des Galaxienhaufens SMACS 0723, das vom kürzlich gestarteten James Webb-Weltraumteleskop geliefert wurde. Abbildung 1. Noch vor einem Jahrhundert glaubten die Wissenschaftler, dass es nur eine einzige Galaxie gibt, doch dieses Bild offenbart Tausende - alle in einem winzigen Himmelsfleck, der in etwa so groß ist wie ein einzelnes Sandkorn, das jemand auf Armeslänge entfernt hält. NASA-Administrator Bill Nelson erklärte, dass Bilder wie dieses, das als "Webb's First Deep Field" bezeichnet wird, es uns ermöglichen, das Universum so zu sehen, wie es vor langer Zeit aussah - das von diesen Galaxien eingefangene Licht ist seit 4,6 Milliarden Jahren durch den Weltraum unterwegs.

Die Wartezeit auf Webb war nicht ganz so lang. Doch nun, mehr als drei Jahrzehnte nach seiner Konzeption und nach sechs Monaten in der Umlaufbahn, liefern die ersten Vollfarbbilder des James- Webb-Weltraum-Teleskop einen noch nie dagewesenen Blick auf unser Universum. Nach der Aufnahme, die gestern Abend von Präsident Biden enthüllt wurde, haben die Wissenschaftler heute vier weitere erstaunliche Bilder veröffentlicht, die ersten von vielen unglaublichen Bildern, die noch folgen werden.

Abbildung 1. Galaxien im Sternhaufen SMACS 0723. Das tiefste und schärfste Infrarotbild, das jemals vom fernen Universum aufgenommen wurde, zeigt ein Tableau mit Tausenden von Galaxien im Sternhaufen SMACS 0723, wie er vor 4,6 Milliarden Jahren erschien. Webb's First Deep Field, wie es genannt wird, ist eine Zusammenstellung von Bildern verschiedener Wellenlängen, die von der Nahinfrarotkamera des Teleskops in nur 12,5 Stunden erstellt wurden. Die kombinierte Masse von SMACS 0723 verstärkt die Leistung von Webb und wirkt wie eine Gravitationslinse, die die weit entfernten Galaxien dahinter vergrößert. Diese Galaxien, die auf dem Bild schwach und rot erscheinen, wurden noch nie zuvor gesehen, und die Wissenschaftler untersuchen bereits ihre Zusammensetzung, da Webb Konzentrationen von Elementen wie Sauerstoff, Wasserstoff und Neon in ihnen aufzeigt. Webb bietet nicht nur unglaublich weit entfernte Ansichten, sondern auch eine solche Klarheit, die es den Wissenschaftlern ermöglicht, das Alter, die Geschichte und die Zusammensetzung der frühesten Galaxien zu studieren, während sie die Geschichte unseres Universums in Richtung Urknall zurückverfolgen. NASA, ESA, CSA und STScI

Zu den ersten Bildern gehören der Carina-Nebel (Abbildung 2), eine dynamische Region, in der neue Sterne entstehen, mit mindestens einem Dutzend massereicher Sterne, die 50- bis 100-mal so groß sind wie unsere eigene Sonne, und der Südliche Ringnebel (Abbildung 4), eine riesige, sich ausdehnende Gaswolke, die einen Stern im Todeskampf umgibt. Webb nahm auch Bilder von Stephans-Quintett auf (Abbildung 5), einer kompakten Gruppe von fünf Galaxien im Sternbild Pegasus, und von dem faszinierenden Planeten WASP-96b, einem Gasriesen etwa 1.150 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Der Astrophysiker John Mather, leitender Projektwissenschaftler für das Webb-Teleskop und Nobelpreisträger (2006, Untersuchung der Hintergrundstrahlung; Anm. Redn.) begann 1995 mit der Arbeit am Webb-Teleskop, kurz nachdem er geholfen hatte, Urknall und Alter des Universums zu bestimmen: Bei der Enthüllung der Bilder meint er: "Nachdem man weiß, wie es angefangen hat, ist nun die nächste Frage: was ist dann passiert?" Das Teleskop, da ist sich Mather sicher, wird dazu beitragen, einige Antworten zu finden. "Das ist unsere Zeitmaschine, und ich bin so begeistert, dass wir die Chance dazu bekommen haben."

Abbildung 2. Der Carina-Nebel ist eine turbulente Region der Sternentstehung und des Sternentods in etwa 7.600 Lichtjahren Entfernung im südlichen Sternbild Carina. Dank seiner Infrarotfähigkeiten kann Webb durch die Wolken hindurchschauen und Hunderte von neuen Sternen in atemberaubenden Details sichtbar machen. "Wir haben diese gigantischen, heißen, jungen Sterne hier oben, und die Strahlung und die stellaren Winde dieser Sterne drängen nach unten und treffen auf all dieses Gas und den Staub", sagt die Astrophysikerin Amber Straughn vom NASA Goddard Space Flight Center und beschreibt das Bild mit dem Namen Cosmic Cliffs. "Und natürlich wissen wir, dass Gas und Staub ein großartiges Rohmaterial für neugeborene Sterne und Babyplaneten sind." Straughn erklärt, dass jeder Lichtpunkt auf dem Bild ein einzelner Stern ist, der unserer Sonne nicht unähnlich ist, und viele von ihnen haben wahrscheinlich Planeten, die sie umkreisen. "Es erinnert mich einfach daran, dass unsere Sonne, unsere Planeten und schließlich wir selbst aus demselben Material entstanden sind, das wir hier sehen." NASA, ESA, CSA und STScI

Das rund 10 Milliarden Dollar teure Teleskop ermöglicht es uns, tiefer in den Weltraum und weiter zurück zu den Ursprüngen unseres Universums zu blicken, als es der Menschheit je zuvor möglich war. Webb kann das Licht der allerersten Sterne und Galaxien im Universum beobachten, die sich vor 13,5 Milliarden Jahren, nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall, gebildet haben, und die Entwicklung dieser Sterne und Galaxien über das gesamte Alter des Universums hinweg verfolgen.

Wenn Webb es uns auch ermöglichen wird, tiefer in den Weltraum vorzudringen als je zuvor, so wird das Teleskop noch viel mehr tun. Webb wird den Vorhang vor Nebeln lüften, um zu sehen, wo Planetensysteme und Sterne geboren werden, die bisher durch Staubwolken von Observatorien mit sichtbarem Licht abgeschirmt waren. Beobachtungen mit Infrarotlicht ermöglichen es Webb, durch diesen Staub hindurchzuschauen, um die Geburt von Sternen zu beobachten und sogar durch aufgewirbelte Gase hindurch zum Schwarzen Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie zu sehen. Das Teleskop wird auch einen klareren Blick auf Exoplaneten jenseits unseres Sonnensystems ermöglichen, deren Atmosphären von Wolken umhüllt sind. Abbildung 3. Das wird es Wissenschaftlern wie Mercedes Lopez-Morales ermöglichen, ihre Zusammensetzung und ihre Atmosphären zu untersuchen, um festzustellen, ob einer von ihnen der Erde ähnelt - und sogar, ob er für Leben geeignet sein könnte.

"Das Universum mit Webb zu betrachten wird so sein, als würde man ein vertrautes Foto mit einer anderen Brille anschauen, die es uns ermöglicht, neue Details in diesem Foto zu sehen, die wir vorher nie gesehen haben", sagt Lopez-Morales, Astrophysikerin am Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian. "Überall, wo Webb hinschaut, werden wir etwas Neues sehen."

Abbildung 3. Die Erforschung von Exoplaneten durch Webb hat mit diesem Bild, das das Vorhandensein von atmosphärischem Wasserdampf auf WASP-96 b, einem heißen, gashaltigen Planeten etwa 1.150 Lichtjahre von der Erde entfernt, zeigt, einen unglaublichen Anfang gemacht. Außerhalb unseres Sonnensystems gibt es unzählige Planeten, und Webb wird es den Wissenschaftlern ermöglichen, diese wie nie zuvor zu analysieren. Durch den Blick durch die Wolken, die solche Welten verdecken, kann Webb aufdecken, welche Gesteinsplaneten Atmosphären haben und somit Leben beherbergen könnten, und gleichzeitig die Zusammensetzung aller Arten von Exoplanetenatmosphären untersuchen. "Was Sie hier sehen, ist der chemische Fingerabdruck, die verräterische Signatur von Wasserdampf in der Atmosphäre dieses Exoplaneten", sagt NASA-Astrophysikerin Knicole Colon und fügt hinzu, dass die Beweise für das Vorhandensein von Wolken und Dunst auf WASP-96 b sprechen. NASA, ESA, CSA und STScI )

Als Nachfolger des Hubble-Teleskops, das nach 30 Jahren immer noch in Betrieb ist, ist das Webb-Teleskop das leistungsstärkste und komplexeste wissenschaftliche Observatorium, das je gebaut wurde. Das 25 Jahre dauernde Projekt, eine gemeinsame Anstrengung der NASA, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der kanadischen Weltraumbehörde, hatte mit zahlreichen Komplikationen zu kämpfen. Dazu gehörten Kosten, die von anfänglichen Schätzungen in Höhe von 1 Milliarde Dollar auf 3,5 Milliarden Dollar angewachsen sind, eine Kürzung des NASA-Budgets im Jahr 2011 und eine Verzögerung nach der anderen, die einige daran zweifeln ließ, ob Webb jemals starten würde. Aber die Tatsache, dass er sich nun in der Umlaufbahn befindet und in Betrieb ist, zeugt von wissenschaftlicher Zusammenarbeit in großem Maßstab. Die beeindruckenden Bilder, die das Webb-Teleskop von unserem Universum aufnimmt, und die Entdeckungen, die es über seine und unsere Ursprünge verspricht, sind das Ergebnis der Arbeit von rund 1 200 Wissenschaftlern, Technikern und Ingenieuren aus 14 Ländern.

"Etwas wie das Webb-Teleskop zeigt wirklich, was wir Menschen tun können, wenn wir uns zusammentun", sagt Lopez-Morales. "Wenn wir uns etwas in den Kopf setzen, jahrelang durchhalten und alle zusammenarbeiten, können wir so etwas schaffen, und das ist für mich sehr inspirierend."

Abbildung 4. Südlicher Ringnebel. Im Südlichen Ringnebel haben zwei Webb-Kameras Bilder vom Sternentod eingefangen - und einen Blick in die Zukunft unseres eigenen Sonnensystems geworfen. "Dies ist ein planetarischer Nebel, der von einem sterbenden Stern verursacht wird, der einen großen Teil seiner Masse in aufeinanderfolgenden Wellen ausgestoßen hat", erklärt Karl Gordon, Astronom am Space Telescope Science Institute. Das Bild zeigt zwei Sterne, die sich in einer Umlaufbahn im Zentrum einer Wolke aus Elementen befinden, die von dem schwächeren Stern in den Weltraum ausgestoßen und durch die Bewegung der Umlaufbahn des Paares aufgewühlt werden. Der orangefarbene Schaum auf dem Bild ist molekularer Wasserstoff, der sich bei der Ausdehnung der Wolke bildet. Der innere blaue Schleier ist eine Konzentration von heißem, ionisiertem Gas, das durch den übrig gebliebenen Kern des Sterns überhitzt wird. NASA, ESA, CSA und STScI

Der NASA-Administrator James Webb war für viele bahnbrechende Errungenschaften verantwortlich, darunter die Apollo-Missionen, bei denen die ersten Menschen auf dem Mond landeten, und die Erkundung des ersten interplanetaren Raumschiffs der USA. Das nach ihm benannte Teleskop - gegen das einige Wissenschaftler Einspruch erhoben, weil Webb die homophobe Regierungspolitik seiner Ära duldete - startete am 25. Dezember 2021, als eine Ariane-5-Rakete vom europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana abhob. Im Weltraum entfaltete sie vorsichtig einen tennisplatzgroßen Sonnenschutzschild und eine Wabe aus 18 sechseckigen, goldbeschichteten Spiegeln mit einem Durchmesser von mehr als 30 Metern, von denen jeder auf ein Zehntausendstel der Breite eines einzelnen menschlichen Haares ausgerichtet war. Die Spiegel ermöglichten es Webb, große Lichtmengen zu sammeln und damit mehr vom Weltraum zu sehen als jedes andere Instrument, als es sich in einer Umlaufbahn fast eine Million Meilen über der Erde niederließ.

Mit Hilfe von Sensorsystemen und vier verschiedenen Kameras arbeitet das Teleskop im infraroten Licht, einer Wellenlänge knapp jenseits dessen, was wir sehen können, und spürt Wärmestrahlung auf. Unsere eigene Atmosphäre blockiert das Infrarotlicht aus dem Weltraum, was ein Grund dafür ist, dass das Webb-Teleskop aus der Umlaufbahn arbeiten muss. Das Teleskop muss außerdem sehr kalt gehalten werden (-220 Grad Celsius), damit seine eigene Wärme die Sensoren nicht beeinträchtigt. Dies wird durch seine Lage im tiefen, kalten Weltraum und durch den schützenden Sonnenschirm erreicht.

Abbildung 5. Stephans Quintett. "Wir sehen uns fünf Galaxien an", sagt ESA-Astronomin Giovanna Giardino und weist darauf hin, dass eine typische Galaxie 100 Milliarden Sterne enthalten kann. Webbs Bild von Stephans Quintett, 290 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Pegasus, zeigt wunderbar chaotische Prozesse bei der Arbeit. Vier dieser Galaxien, fügt sie hinzu, "sind in eine Art kosmischen Tanz verwickelt, der von der Gravitationskraft angetrieben wird". Zwei Galaxien sind im Begriff zu verschmelzen. Das Bild zeigt, wie Webb grundlegende kosmische Phänomene aufdecken kann, die uns bisher weitgehend verborgen geblieben sind. "Es zeigt die Art von Wechselwirkungen, die die Entwicklung von Galaxien vorantreiben", merkt Giardino an, ein Prozess, mit dessen Hilfe wir auch die Geschichte unseres Universums seit der Entstehung der ersten Galaxien nachvollziehen könnten. Und obwohl Webb uns kein aktives Schwarzes Loch zeigen kann, erlaubt dieses Bild den Wissenschaftlern, die Zusammensetzung der umgebenden Gase zu untersuchen, die die Anwesenheit eines solchen Lochs verraten. "Wir können sehen, wie das Material herumwirbelt", sagt sie, "und von dieser Art kosmischem Monster verschluckt wird". NASA, ESA, CSA und STScI

Das von einer Solaranlage betriebene Teleskop könnte 20 Jahre oder länger in Betrieb sein. Im Gegensatz zum Hubble-Teleskop, das sich in einer niedrigen Umlaufbahn befindet und gewartet werden kann, ist das Webb-Teleskop aufgrund seiner Entfernung zum Mond so konzipiert, dass es während der gesamten Dauer der Mission autark ist.

Die Aufgabenliste von Webb ist äußerst beeindruckend. Die Wissenschaftler haben ausgefeilte Pläne, um das frühe Universum zu erforschen, aufzuzeichnen, wie Galaxien entstehen und sich im Laufe der Zeit entwickeln, den Lebenszyklus von Sternen zu beobachten und die Geheimnisse von Exoplaneten zu ergründen. Aber die größten Entdeckungen des Teleskops liegen vielleicht nicht in einem dieser Bereiche.

"Es ist sehr wahrscheinlich, dass wir Dinge entdecken werden, die wir nicht ohne Weiteres erklären können und an die wir nicht gedacht haben", sagt Lopez-Morales. "Das ist die Art und Weise, wie Durchbrüche im menschlichen Wissen geschehen, und deshalb bin ich sehr gespannt darauf, was die Beobachtungen von Webb uns offenbaren werden."

 

 

 

 

 

 

 

 

---

*Der vorliegende Artikel ist unter dem Titel "NASA Releases First Breathtaking Images Taken by James Webb Space Telescope" am 12 . Juli 2022 im Smithsonian Magazin erschienen.https://www.smithsonianmag.com/science-nature/nasa-releases-first-breathtaking-images-taken-by-james-webb-space-telescope-180980403/ Autor ist der Wissenschaftskorrespondent Brian Handwerk. Der Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu übersetzt.

---

Weiterführende Links

Die Astrophysikerin Suzanna Randall analysiert die Fotos und beantwortet Fragen in leicht verständlicher Weise in: Terra X Lesch & Co. LIVE: Endlich erste Bilder vom James Webb Space Telescope! | (12.7.2022) Video 52:30 min. https://www.youtube.com/watch?v=AS-3orgIDrw

Zum Bau des James-Webb-TelesKop in Scientific American:The James Webb Space Telescope just revealed our universe anew--the view is absolutely stunning (12.7.2022). Video 11:01 min. https://www.youtube.com/watch?v=nBDHqquK_8k

James Webb Space Telescope set to explore star and planet formation (11.7.2022). Video 1:40 min. https://www.youtube.com/watch?v=dUrHdTxDIqY

---