Webbs erstes veröffentlichtes Bild packt Tausende von Galaxien in einen kleinen Rahmen. Ein Teil dieses Lichts verließ seine Quelle vor etwa 13 Milliarden Jahren. Dieses einzelne Bild fasst zusammen, warum das James-Webb-Weltraumteleskop existiert.
Webb ist das größte Teleskop, das jemals in den Weltraum gebracht wurde, ausgestattet mit Instrumenten, die empfindlich und scharf genug sind, um Objekte zu erfassen, die für das Hubble-Weltraumteleskop zu alt, zu weit entfernt oder zu schwach sind. Um dorthin zu gelangen, war ein Raumfahrzeug erforderlich, das sich während des Fluges selbst entfaltet, ein Sonnenschild in der Größe eines Tennisplatzes und eine Umlaufbahn, die speziell gewählt wurde, damit niemals etwas Warmes die Sicht behindert.
Das Folgende ist weniger ein Rundgang durch schöne Bilder als vielmehr ein Blick auf die technischen Entscheidungen hinter ihnen: wo Webb sitzt, wie kalt es sein muss, was mit seinem Spiegel fast schief ging und was es bisher gefunden hat.
Webbs erstes tiefes Feld: Ein einzelnes Pixel des Himmels
Das Bild, das Webb der Öffentlichkeit vorstellte, heißt Webbs Erstes tiefes Feld, und es ist voller viel mehr als es aussieht. Unter den Tausenden von Galaxien, die in diesem winzigen Himmelsfleck gedrängt sind, werden einige auf etwa 13 Milliarden Jahre geschätzt, was bedeutet, dass ihr Licht kurz nach dem Beginn des Universums selbst aufbrach.
Diese Dichte ist der Sinn eines tiefen Feldes: Anstatt auf ein Ziel abzuzielen, starrt das Teleskop lange genug auf einen scheinbar leeren Fleck, damit schwaches, entferntes Licht sich ansammelt. Es ist ein seltsame Art von Rekord: nicht das größte oder hellste Bild, sondern ein Rückblick über den Großteil der kosmischen Geschichte in einer einzigen Aufnahme.
Eine permanente Adresse eine Million Meilen entfernt
Anders als Hubble, das die Erde in einigen Hundert Meilen Höhe umkreist, umkreist Webb überhaupt nicht unseren Planeten. Es umkreist die Sonne und hält Stellung in der Nähe eines Gravitationsgleichgewichtspunkts, dem sogenannten zweiten Lagrange-Punkt oder L2, ungefähr 1,5 Millionen Kilometer, etwa 1 Million Meilen, von der Erde entfernt.
Diese Entfernung ist nicht willkürlich. Der benachbarte Lagrange-Punkt L1 liegt auf der gleichen Entfernung von 1,5 Millionen Kilometern auf der dem Sonnenseite zugewandten Seite, und es ist bereits eine belebte Gegend: Sonnenobservatorien wie DSCOVR, WIND, SOHO und ACE halten alle von dort aus Wacht. Webb brauchte stattdessen die Fernseite, wo Erde, Mond und Sonne bequem aus seinem Sichtfeld bleiben.
Diese Positionierung zahlt sich ständig aus. Hubble gleitet alle 90 Minuten in und aus dem Schatten der Erde, unterbrechen seine Sicht nach einem strikten Plan. Webbs entfernte Position gibt ihm eine ununterbrochene Sichtlinie, so dass es Wissenschaftsoperationen kontinuierlich, Tag und Nacht, ohne Schatten zum Ausweichen, durchführen kann.
Ein Monat langer Gleitflug dank eines präzisen Starts
Die Ankunft bei L2 war nicht sofort. Die Reise dauerte etwa 30 Tage vom Start bis zum Beginn von Webbs Betriebsumlaufbahn, doch das Teleskop legte die Strecke zur Mondbahn, ungefähr ein Viertel dieser Reise, in nur 3 Tagen zurück. Der Rest der Reise war ein langer, langsamer Gleitflug gegen die Schwerkraft.
Dieser Gleitflug stellte sich als billiger heraus als geplant. Webbs Ariane-5-Rakete platzierte es auf einer so präzisen Flugbahn, dass das Teleskop nur eine kleine Menge seines Bordtreibstoffs verbrennen musste, um seinen Kurs in Richtung L2 zu korrigieren. Ersparnis Treibstoff bedeutet direkt mehr Missionszeit, und Ingenieure erwarten nun, dass Webb gut über die ursprünglich geplante 10-jährige Lebensdauer hinaus in Betrieb bleiben wird.
Kalt genug, um das erste Sternenlicht einzufangen
Schwaches Infrarotlicht von den frühesten Galaxien ist leicht zu überlagern, und die größte Interferenzquelle wäre das Teleskop selbst. Ein aus fünf separaten Schichten bestehendes Sonnenschild hält dieses Problem, indem es Webbs Instrumente auf minus 388 Grad Fahrenheit gekühlt hält, kalt genug, dass die eigene Wärme des Observatoriums das Signal, das es zu erfassen versucht, niemals überlagert.
Ein Instrument muss noch kälter laufen als das. MIRI, Webbs Mittel-Infrarot-Instrument, arbeitet bei nur 7 Kelvin, einige Stufen unter der kältesten erreichbaren Temperatur, damit es die längeren, schwächeren Infrarotwellenlängen erfassen kann, die die anderen Detektoren des Teleskops nicht erreichen können.
Ein 10-Milliarden-Dollar-Origami entfalten
Webb startete am Weihnachtstag an Bord dieser Ariane-5-Rakete, aber die Erreichung der Umlaufbahn war nur die halbe Arbeit. Zusammengefaltet, um in die Raketenverkleidung zu passen, verbrachte das 10-Milliarden-Dollar-Teleskop seinen Monat langen Flug damit, sich selbst zu entfalten, Spiegel und Stützstrukturen in die Form umzukonfigurieren, die es für den Rest der Mission halten würde. Jeder dieser Schritte musste erfolgreich sein, ohne dass ein Astronaut in der Nähe war, um einen Fehler zu beheben.
Dieser Preis und diese Abhängigkeit von einer fehlerfreien robotischen Entfaltung erklären, warum Ingenieure die frühen Wochen der Mission als einige der angespanntesten in der jüngsten Geschichte der NASA beschreiben. Ein einzelnes verklemmtes Scharnier oder fehlzündete Verriegelung hätte die Mission beenden können, bevor sie ein einziges Bild produzierte.
Ein Spiegel, der lernen musste zu fokussieren
Korrekt zu entfalten war nur der erste Schritt; die Spiegelsegmente mussten sich dann präzise genug miteinander ausrichten, um als eine einzige Oberfläche zu funktionieren. Anfangs taten sie das nicht: die 18 einzelnen Segmente produzierten jeweils ihr eigenes unscharfes Bild desselben Zielsternes, anstatt eines scharfen Lichtpunkts.
Die Behebung erforderte eine Technik namens dispersed fringe sensing, die Bilder von 20 verschiedenen Paaren von Spiegelsegmenten verglich, um den Großteil der Fehlausrichtung in einem Schritt zu korrigieren, den Ingenieure Grobe Phasenbestimmung nennen. Der Spiegel war damit aber noch nicht fertig. Im Mai 2022 traf ein staub-körniger Mikrometeorit eines von Webbs Spiegelsegmenten, katalogisiert als C3, in einem Einschlag zwischen 23. und 25. Mai, der sich als der fünfte und größte solcher Treffer seit dem Start herausstellte. Ingenieure mussten mit einem der eingebauten Aktoren des Spiegels ausgleichen, eine Reparatur, die im Juni gemeldet wurde.
Benannt nach einem Mann, der es nie fliegen sah
Der Name des Teleskops geht seinen Hardware um Jahrzehnte voraus. Er ehrt James E. Webb, der von 1961 bis 1968 als Administrator der NASA tätig war, eine Zeit, die die Programme Mercury, Gemini und Apollo sowie den Aufbau zu den Mondlandungen abdeckte. Webb leitete die Agentur während ihrer berühmtesten Ära, starb aber lange bevor irgendeine Hardware seines Namensvetters den Boden verließ.
Zurück zur kosmischen Morgenröte blickend
Das tiefe Feld war nur eine Auftaktnummer. Im Mai 2024 identifizierte Webb die bisher entfernteste bekannte Galaxie: JADES-GS-z14-0, deren Licht nur 290 Millionen Jahre nach dem Urknall aufbrach, was es bei Rotverschiebung 14,32 platziert. Das ist ein Schnappschuss des Universums in seiner frühen Kindheit, lange bevor die meisten Galaxien Zeit hatten, sich zu bilden.
Ungefähr in derselben Zeit berichteten Forscher, die Webb-Daten verwendeten, über Hinweise auf ein aktiv wachsendes schwarzes Loch in einer Galaxie namens GHZ2, gefleckt bei Rotverschiebung 12,34, als das Universum unter 400 Millionen Jahre alt war, das bisher entfernteste schwarze Loch. Ein so reifes schwarzes Loch so früh zu finden, stellt Annahmen darüber in Frage, wie schnell diese Objekte wachsen können.
Ein Instrument, das so gebaut wurde, dass es 200 Objekte gleichzeitig lesen kann
Entfernte Galaxien zu beobachten ist eine Sache; den chemischen Fingerabdruck ihres Lichts zu lesen ist eine andere, und das ist die Aufgabe von NIRSpec, Webbs Nah-Infrarot-Spektrograph. Er kann die Spektren von bis zu 200 separaten Objekten gleichzeitig erfassen, alle innerhalb eines Himmelsflecks von nur 3,4 mal 3,6 Bogenminuten.
Dieses Multiplexing ermöglicht es Webb, effizient große Kataloge von Galaxien des frühen Universums zu erstellen, anstatt ein Ziel nach dem anderen. Kombiniert mit der Tiefbild-Fähigkeit, die Webbs erstes tiefes Feld produzierte, verwandelt es eine einzige Ausrichtung des Teleskops in einen Datensatz, der Astronomen jahrelang beschäftigen kann.