„Wir erwarten bahnbrechende Erkenntnisse“

Interview mit Oliver Krause vom Max-Planck-Institut für Astronomie über das James Webb Space Telescope

23. Dezember 2021

Es ist das größte, je im All stationierte Observatorium: Am 25. Dezember ist das sechseinhalb Tonnen schwere James Webb Space Telescope vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana mit einer Rakete vom Typ Ariane 5 zu seiner Mission aufgebrochen. Mehr als eine Million Kilometer von der Erde entfernt wird es seinen Beobachtungsposten beziehen und in den nächsten Jahren so tief und so scharf ins Universum spähen wie kein Fernrohr zuvor. Was sind die Besonderheiten der kosmischen Sternwarte? Und welche Technik „Made in Germany“ trägt sie an Bord? Fragen an Oliver Krause, der am Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie ein Team leitet, das maßgeblich an dem Weltraum-Teleskop mitgearbeitet hat.

Herr Krause, das James Webb Space Telescope (JWST) wird immer wieder als „Hubble-Nachfolger“ bezeichnet. Dabei gibt es gravierende Unterschiede. Welche sind das?

Oliver Krause: Zunächst einmal besitzt das James-Webb-Weltraumteleskop einen deutlich größeren Hauptspiegel als Hubble – sechseinhalb im Vergleich zu knapp zweieinhalb Meter Durchmesser. Während Hubble überwiegend im sichtbaren Licht operierte, ist das JWST aufgrund seiner wissenschaftlichen Zielsetzung als extrem empfindliches Infrarot-Teleskop konzipiert. Da ein solches Observatorium und seine wissenschaftlichen Instrumente stark gekühlt im Temperaturbereich von minus 266 bis minus 223 Grad Celsius betrieben werden müssen, unterscheiden sich die beiden Welraumteleskope auch wesentlich in ihrem Aufbau. So etwa weist das JWST ein Tennisplatz-großes, mehrlagiges Sonnenschutzschild auf, um es gegen die thermische Einstrahlung von Sonne, Erde und Mond zu schützen. Ebenfalls verschieden sind die Beobachtungsorte: Das Webb-Teleskop wird nicht wie Hubble in einer Umlaufbahn von nur 500 Kilometern um unseren Planeten kreisen, sondern sich 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt im sogenannten Lagrange-Punkt L2 synchron mit dieser um die Sonne bewegen.

Warum ist das notwendig? Worin liegt der Nutzen der Stationierung im Lagrange-Punkt?

Der Lagrange-Punkt L2 ermöglicht es, Sonne, Erde und James-Webb-Teleskop wie auf einer Perlenschnur aufgereiht zu positionieren und dadurch das Teleskop immer im Schatten des Schutzschildes in das kalte Weltall blicken zu lassen. Im Laufe eines Jahres wird dann auch die gesamte Himmelsfläche für das JWST zugänglich sein. Allerdings kann das Observatorium in diesem großen Abstand im Gegensatz zu Hubble nicht im Weltraum gewartet werden. Daher muss alles an Bord mit höchster Zuverlässigkeit funktionieren, denn Astronautenbesuche sind nicht möglich.

Das Hubble- und das James-Webb-Teleskop arbeiten ja beide im Weltraum. Sehen Sie da auch Gemeinsamkeiten?

Ja, eine Gemeinsamkeit, die letztendlich die Bezeichnung „Hubble-Nachfolger“ rechtfertigt: Beide Observatorien sind mit sehr leistungsfähigen Instrumenten ausgestattet, welche die Beobachtungen mit ganz unterschiedlichen Methoden in einem breiten Bereich der Astronomie und Astrophysik erlauben. Auch werden beide Satelliten vom Space Telescope Science Institut im US-amerikanischen Baltimore betrieben. Und: Das JWST wird ebenso wie Hubble das beobachtungstechnisch Mögliche um viele Größenordnungen erweitern. Es ist zu erwarten, dass das James-Webb-Weltraumteleskop fundamentale und bahnbrechende neue Erkenntnisse des Kosmos gewinnt, so wie dies Hubble bereits gelungen ist.

Das JWST beobachtet im – für das menschliche Auge unsichtbaren – infraroten Teil des Spektrums. Wird es dann überhaupt Bilder liefern?

Ja, es gibt mehrere Kameras an Bord, deren Empfindlichkeit im für das Auge noch wahrnehmbaren roten Spekralbereich beginnt und bis zu einer Wellenlänge von 28 Mikrometer, also Millionstel Meter, reicht. Vor allem die im nahen Infraroten gewonnen Aufnahmen werden sehr ähnlich aussehen wie Fotos im sichtbaren Spektralbereich. Man muss jedoch bedenken, dass es sich dabei um Falschfarben-Kompositaufnahmen handelt, die in den visuellen Bereich übersetzt werden.

Wie sieht die Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) am James-Webb-Teleskop aus?

Unser Institut ist ein Hauptpartner des Instruments MIRI. Das ist eine Kamera und zugleich ein Spektrometer für den langwelligen Bereich zwischen fünf und 28 Mikrometer. Das gesamte Instrument wurde von einem Konsortium europäischer Forschungsinstitute entwickelt und gebaut, die Detektoren und die Kühlmaschine von MIRI kommen aus den USA. Aufgrund seiner technologischen Expertise ist das MPIA für alle beweglichen Teile verantwortlich – sogenannte Radmechanismen, mit denen optisch zwischen unterschiedlichen Beobachtungsmethoden umgeschaltet werden kann. Ein weiteres Instrument auf dem James-Webb-Teleskop, der Multi-Objekt-Spektrograph NIRSpec, wurde unter Leitung der Weltraumbehörde ESA von einem europäischen Industriekonsortium gebaut. Die ESA bestand darauf, dass in diesem Konsortium ebenfalls das Team aus unserem Institut die Entwicklung des Filter-und Gitterrades betreut. Da die Mechanismen von bewegten Teilen leicht ausfallen können, wird deren Bau immer als besonders kritisch angesehen. Wir sind daher sehr stolz darauf, ausgerechnet diese anspruchsvollen Komponenten zur Mission beigetragen zu haben. Denn erst damit erreichen die Instrumente an Bord ihre ganze Leistungsfähigkeit und Vielfalt in der wissenschaftlichen Anwendung.

Wie lange haben Sie an diesen Komponenten gebaut? Und hatten Sie Partner?

Der Bau dieser Mechanismen wurde zusammen mit der Firma Hensoldt – vormals Carl Zeiss Optronics – in Oberkochen geleistet. Die Entwicklung wurde aus Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt finanziert. Das Projekt hat bei uns in Heidelberg bereits im Jahre 2000 begonnen. Die sehr intensive erste Arbeitsphase dauerte bis 2012/2013, da wurden die Instrumente an die NASA geliefert. Seitens der US-Raumfahrtbehörde gab es aber immer wieder Verzögerungen. Dennoch ist unser Team seitdem vor allem mit der Entwicklung der Datenanalyse-Pipeline und der Vorbereitung des Instrumentenbetriebs befasst. Und natürlich mit Definition und Vorbereitung der wissenschaftlichen Beobachtungen des Teleskops.

Die Bauteile müssen sozusagen „weltraumtauglich“ sein. Wie und wo erfolgten die entsprechenden Tests?

Die Weltraumqualifikation der Mechanismen und seiner Komponenten wurde sowohl am Max-Planck-Institut in Heidelberg als auch in den Reinraum- und Umweltlabors der Firmen Hensoldt und Carl Zeiss in Oberkochen durchgeführt. Wir haben dabei die Labormöglichkeiten auf beiden Seiten optimal genutzt, um die langwierigen und technisch anspruchsvollen Messungen bei den sehr tiefen Temperaturen um die minus 266 Grad Celsius vorzunehmen und die Zuverlässigkeit und Erfüllung aller Leistungsanforderungen für den späteren Betrieb im Weltall nachzuweisen.

Wie sieht der Fahrplan nach dem Start aus? Wann rechnen Sie mit den ersten Ergebnissen?

Während der ersten zwei Wochen nach dem Start wird sich zunächst das große Sonnenschutzschild und danach der Hauptspiegel mit seinen 18 Einzelsegmenten entfalten. Danach werden die Instrumente langsam auf Betriebstemperatur abkühlen, was einige Wochen dauern wird. Das langwelligste Instrument MIRI wird dabei als kältestes Gerät an Bord am längsten warten müssen. Die Inbetriebnahme aller Instrumente, in die auch unser Heidelberger MIRI-Team eng eingebunden ist, wird sechs Monate nach dem Start beendet sein. Ab dann ist mit wissenschaftlichen Ergebnissen zu rechnen. Das „erste Licht“ für das JWST wird jedoch im Rahmen der Inbetriebnahme des Hauptspiegels schon früher erfolgen, ich rechne damit etwa drei Monate nach dem Start.

In welchen Forschungsbereichen erhoffen Sie sich von dieser Mission neue Erkenntnisse?

Es sind vor allem zwei Bereiche: die Beobachtung der ersten Galaxien im Universum kurz nach dem Urknall und die Untersuchung der Atmosphären von extrasolaren Planeten. Das James-Webb-Teleskop ist von Beginn an konzipiert worden, um die extrem schwache Strahlungsemission der ersten Generation von Galaxien einzufangen, die sich 100 bis 200 Millionen Jahre nach der Geburt des Weltalls gebildet haben müssen. Aufgrund der kosmischen Rotverschiebung in den Infrarotbereich besitzt nur das JWST eine ausreichende Empfindlichkeit, diese Objekte aus der Kinderstube unseres Universums nachzuweisen und im Detail zu untersuchen.

Und die Beobachtung von Exoplaneten?

Als das James-Webb-Teleskop vor mehr als 25 Jahren aus der Taufe gehoben wurde, waren die ersten Planeten um ferne Sterne gerade entdeckt worden. Während der vergangenen zwei Jahrzehnte ist dieses Forschungsfeld geradezu explodiert, und wir kennen mittlerweile mehrere Tausend solcher Exoplaneten. Wir stehen jetzt an der Schwelle, nach einer Epoche der Entdeckungen nun auch die Atmosphären und den Ursprung dieser Objekte im Detail zu studieren. Das JWST wird eine entscheidende Rolle spielen und chemische Zusammensetzung sowie physikalischen Bedingungen in den Gashüllen solcher fernen Welten untersuchen.

Interview: Helmut Hornung

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