Wie hat unser Universum kurz nach dem Urknall ausgesehen? Und wie haben sich Galaxien, Sterne und Planeten entwickelt? Um diese und weitere grundlegende Fragen der Astronomie zu beantworten, soll das Infrarot-Weltraumteleskop „James Webb“ schwerpunktmäßig die Wärmestrahlung der ersten Himmelskörper vor rund 13,8 Milliarden Jahren auffangen und damit einen Blick in die astronomische Vergangenheit werfen.
Mit seinem Teleskopspiegel von 6,5 Metern Durchmesser und seinen vier Infrarot-Instrumenten ist „James Webb“ das bislang größte und leistungsfähigste Weltraumobservatorium. Nach seinem Start Ende 2021 mit einer Ariane-5-ECA-Trägerrakete vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou (Französisch-Guyana) soll das Teleskop mindestens fünf Jahre lang wissenschaftliche Daten sammeln.
Nach seinem Start wird die Reise des Observatoriums rund einen Monat dauern, bevor es sein Ziel, den Lagrange-Punkt-2, erreicht hat. Dieser Punkt befindet sich in einer Entfernung von rund 1,5 Millionen Kilometern von der Erde. Rund fünf weitere Monate wird es danach dauern, bis das Teleskop nach Test und Kalibrierung der Instrumente den Regelbetrieb aufnehmen wird.
Hauptaufgabe der Mission ist es, die Entwicklungsgeschichte unseres Universums zu erforschen. Dabei soll „James Webb“ dessen Zustand unmittelbar nach dem Urknall erkunden und ergründen, wann und wo die ersten Himmelskörper entstanden sind, wie sich Galaxien und Schwarze Löcher entwickeln und wie Sterne entstehen und vergehen. Daneben soll das Teleskop erdähnliche Exoplaneten aufspüren und deren Atmosphäre untersuchen und zudem unser Sonnensystem untersuchen.
Teleskopspiegel von James Webb
Nach einem erfolgreichen Funktionstest ist der Teleskopspiegel von „James Webb“ voll entfaltet. Der Spiegel hat einen Durchmesser von 6,5 Metern und besteht aus 18 wabenförmigen Segmenten.
NIRSpec und MIRI forschen im mittleren und nahen Infrarotbereich
An zwei der vier wissenschaftlichen Instrumente der Mission waren deutsche Unternehmen und Forschungseinrichtungen maßgeblich beteiligt: NIRSpec und MIRI. Das Hauptziel von NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) ist es, astronomische Objekte - vor allem entfernte Galaxien - spektroskopisch zu untersuchen. Schwerpunkt ist dabei das Aufspüren der Strahlung der ersten Galaxien, die sich im frühen Universum in einer Zeit etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben. Es kann dabei die Spektren von mindestens 100 Objekten gleichzeitig aufnehmen. Das Instrument ist für den Wellenlängenbereich von 0,6 bis 5 Mikrometern, also im nahen Infrarot, ausgelegt.
Das Instrument MIRI (Mid Infrared Instrument) wird an allen Untersuchungen, die mit dem James-Webb-Teleskop durchgeführt werden, beteiligt sein. Es ist das einzige Instrument an Bord, das nicht im fernen, sondern im mittleren Infrarotbereich arbeitet. Dort operiert es im Wellenlängenbereich von fünf bis zu 28 Mikrometern. Durch die Abdeckung dieses großen Spektrums ist MIRI sowohl für die Beobachtung von nahen Objekten in der Milchstraße, als auch von solchen aus der Frühzeit des Universums geeignet. Das Instrument wird während der Mission mit Hilfe von flüssigem Helium auf eine Temperatur von sieben Kelvin heruntergekühlt. Dies ist notwendig, da ansonsten die eigene Wärmestrahlung von MIRI die Infrarot-Untersuchungen beeinträchtigen würde.
„James Webb“ als Nachfolger des Hubble Weltraumteleskops
Als Observatorium der neuen Generation löst „James Webb“ das Hubble Weltraumteleskop ab, das im April 1990 in den Weltraum gestartet und bis heute in Betrieb ist. Mit seinen spektakulären Aufnahmen und Forschungsergebnissen hat Hubble die astronomische Forschung in den letzten Jahrzehnten um viele grundlegende Erkenntnisse bereichert. Diese Erfolgsgeschichte soll nun von „James Webb“ fortgeführt werden. Im Vergleich zu Hubble ist „James Webb“ deutlich leistungsfähiger. So wird dessen Teleskopspiegel annähernd sechsmal mehr Licht aufnehmen, und die Instrumente besitzen eine rund hundertmal höhere Sensitivität.
Infrarot-Instrument NIRSpec
Schwerpunkt des Infrarot-Instruments NIRSpec ist das Aufspüren der Strahlung der ersten Galaxien, die sich im frühen Universum in einer Zeit etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben. In der Abbildung kann man den Weg erkennen, den das Licht eines astronomischen Objekts in Richtung Detektor zurücklegt.
Das James-Webb-Weltraumteleskop ist ein Gemeinschaftsprojekt der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA, der kanadischen Raumfahrtagentur (CSA) und der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR koordiniert die deutschen Beiträge zur ESA. Das Instrument NIRSpec wurde im Auftrag der ESA von Airbus in Ottobrunn und Friedrichshafen gebaut. Das Instrument MIRI wurde von einem europäischen Konsortium, bestehend aus 22 Instituten aus 14 europäischen Staaten, entwickelt und gebaut. Aus Deutschland sind das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) aus Heidelberg und die Universität zu Köln beteiligt. Deutsche Beiträge zur Mission leisteten außerdem die Firmen Airbus, ArianeGroup, Hensoldt Optronics und IABG.
