Was uns das Webb-Weltraumteleskop als nächstes zeigen wird

Von David W. Brown

Seit die Europäische Weltraumorganisation am Weihnachtstag 2021 das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA von Französisch-Guayana aus startete, schwebt das Teleskop etwa eine Million Meilen von der Erde entfernt im Weltraum. Während seiner Reise entfaltete sich das JWST wie ein Stück Origami und setzte eine Reihe von Sonnenkollektoren, eine leistungsstarke Antenne, eine Wabe aus goldenen Spiegeln und einen Sonnenschutz frei, der wie ein Satz silberner Segel aussieht. Anschließend verbrachten die Wissenschaftler mehr als drei Monate damit, die Spiegel nanometergenau auszurichten. Ungefähr ein Jahr, nachdem das Teleskop seine ersten Bilder veröffentlichte, sagte mir Jane Rigby, die führende NASA-Wissenschaftlerin, die an dem Projekt arbeitete, dass es „nicht nur eine bessere Leistung erbracht hat als die Anforderungen, sondern auch besser, als wir uns jemals hätten erträumen können“. Kürzlich konnte Webb zeigen, dass Galaxien in den ersten Milliarden Jahren des Universums aktiver waren als bisher angenommen und in großen Ausbrüchen viele Sterne bildeten. „Es gab Vorhersagen, aber das war Terra incognita, jenseits der Klippe dessen, was Hubble leisten konnte, und überall auf der Karte waren Erwartungen zu finden“, erzählte mir Rigby. „Wo wir Unwissenheit hatten, haben wir jetzt wunderschöne Daten.“ Zur Feier des ersten wissenschaftlichen Betriebsjahres des Teleskops veröffentlichte das Webb-Team kürzlich ein Jubiläumsbild von Sternen, die im Wolkenkomplex Rho Ophiuchi, der erdnächsten Sternkinderstube, geboren wurden.

Die ersten Teleskope bestanden aus zwei runden Glasstücken in einem Rohr. Galileo Galilei entdeckte die Monde des Jupiter und zeigte so mit einem Teleskop, das zwanzigfach vergrößern konnte, dass die Erde nicht der Mittelpunkt des Universums war. Sechs Jahrzehnte später vollendete Isaac Newton das erste erfolgreiche Spiegelteleskop mit einem konkaven Spiegel, der das Licht viel effizienter konzentrierte. Im Laufe der Jahrhunderte sind Teleskope so weit gewachsen und verbessert worden, dass sie zunehmend schwächere und weiter entfernte Himmelsobjekte erkennen können. Der Webb stellt einen Höhepunkt dieser Entwicklung dar. Es ist hundertmal so leistungsstark wie das Hubble-Weltraumteleskop und sieht Infrarotlicht, das für das menschliche Auge unsichtbar ist. (Licht fällt in ein Spektrum von längeren bis kürzeren Wellenlängen: Infrarot, Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett, Ultraviolett.) Es wurde teilweise entwickelt, um Licht zu sammeln, das seit kurzem zur Erde gelangt nach dem Urknall. Wenn Astronomen ihren Spiegel auf die Ränder des Weltraums richten, sehen sie das Universum so, wie es vor dreizehn Milliarden Jahren war – kurz vor dem buchstäblichen Beginn der Zeit.

Rigby arbeitet am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und ist seit 2010 als Astrophysiker und seit Juni als leitender Projektwissenschaftler des JWST Teil des James Webb Space Telescope-Teams. Wir unterhielten uns während ihrer Mittagspause per Videochat; Während ich ihr Fragen stellte, stach sie mit einer Gabel in eine Tupperdose, die sie von zu Hause mitgebracht hatte, und kaute dann nachdenklich, während sie über ihre Antworten nachdachte. Sie ist eine lebhafte Geschichtenerzählerin, die ihre Argumente oft mit Handgesten und geringfügigen Anpassungen ihrer schwarzen Hornbrille unterstreicht. Ich fragte sie nach dem besonderen Design des Teleskops, nach der Art und Weise, wie die Astronomie unser tägliches Leben prägt, und nach den Lücken im menschlichen Wissen, die das Webb bereits zu schließen begonnen hat. Unser Gespräch wurde bearbeitet und gekürzt.

Als das Hubble-Weltraumteleskop startete, stellten wir bald fest, dass seine Bilder verschwommen waren. Ingenieure mussten dafür das Äquivalent einer Brille bauen. Gab es bei JWST schon früh solche Probleme, da die Bereitstellung sehr kompliziert war?

Aufgrund seiner Funktionsweise musste die Optik perfekt sein, als Hubble in den Weltraum aufstieg. Für JWST haben wir Spiegel eingeführt, die sich selbst reparieren konnten. Es gibt achtzehn Hauptspiegelsegmente – diese wunderschönen goldenen Sechsecke – und die Idee ist, sie so zu entwerfen, dass sie im Raum korrigierbar sind. Sie verschieben sie einfach, bis sie an den richtigen Stellen sind. Als JWST es zum ersten Mal einsetzte, konnten wir durch diesen langen, iterativen Prozess der Betrachtung heller Sterne all diese Spiegel dazu bringen, wie ein Refrain zusammenzuarbeiten – wobei am Anfang jeder in seiner eigenen Tonart, seinem eigenen Lied, seinem eigenen Genre spielt. ihr eigenes Ding machen. Und am Ende sind sie koordiniert und singen in einer engen, mehrstimmigen Harmonie.

Das eigentliche Problem bei JWST bestand darin, dass wir ein Teleskop brauchten, das größer war als Raketen. Die Rakete, mit der wir gestartet sind, hat einen Durchmesser von etwas mehr als fünf Metern. Aber nur der Teleskopteil von JWST hat einen Durchmesser von 6,6 Metern (und dann ist da noch dieser ganze Sonnenschutz darunter, der die Größe eines Tennisplatzes hat). Eine Möglichkeit, die Größenbeschränkung zu überwinden, die eine grundlegende Herausforderung für Weltraumteleskope darstellt, besteht darin, sie zusammenklappen zu lassen. Sechs der Hauptspiegelsegmente wurden für den Start hinter den Rest der Spiegel verstaut. Dann entfalteten sie sich auf Scharnieren. Das führte zu einem Design, bei dem wir sie nicht perfekt auf dem Boden ausrichten mussten.

Wenn Größe nur eine Herausforderung für Weltraumteleskope ist, was ist Ihrer Meinung nach die größte?

Oh mein Gott. Ich denke, im Moment ist die größte Herausforderung einfach die Zeit. Das Teleskop ist etwa hundertmal leistungsstärker als alles, was wir bisher hatten. In der gleichen Beobachtungszeit kann es Dinge sehen, die hundertmal schwächer sind, als wir es mit Hubble oder dem Spitzer-Weltraumteleskop sehen könnten. Es ist also dieses mächtige Biest, und im ersten Jahr des wissenschaftlichen Betriebs haben wir etwa fünfhundert verschiedene Beobachtungsprogramme – insgesamt Tausende von Menschen aus der ganzen Welt –, die dieses Teleskop nutzen.

An einem bestimmten Tag werden wir einen Quasar beobachten, ein akkretierendes Schwarzes Loch, das so weit entfernt ist, wie wir sehen können, und dann, ein paar Stunden später, werden wir einen Asteroiden in unserem eigenen Sonnensystem beobachten. Dann könnten wir eine nahegelegene Galaxie beobachten. Wir haben einen Zeitplan und führen Beobachtungen durch, die von der wissenschaftlichen Gemeinschaft im Wettbewerb als die überzeugendsten ausgewählt wurden. Und wir machen eine Beobachtung nach der anderen und geben diese Daten dann an die Welt weiter. Die Zutat für Entdeckungen ist einfach Zeit.

Welche Hauptfragen muss JWST beantworten, damit diese Mission als Erfolg gewertet werden kann?

Nun, es lohnt sich, sich einen Moment Zeit zu nehmen, um noch einmal zurückzugehen. Hubble startete 1990 und es gab drei Schlüsselfragen, die es beantworten sollte. Eine davon war: Wie alt ist das Universum? Das ist eigentlich ein Maß dafür, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Wir wissen jetzt, dass das nicht die aufregendste Frage war. Im Zuge der Messung dieser Expansion des Universums kamen Astronomen zu der Erkenntnis, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Das war die unerwartete Entdeckung.

Die zweite Frage lautete: Was sind Quasare und welche Beziehung haben sie zu Galaxien? Nun, aus der Arbeit mit vielen Teleskopen, einschließlich Hubble, wissen wir jetzt, dass Quasare supermassereiche Schwarze Löcher mit einer Million bis einer Milliarde Sonnenmassen in den Herzen von Galaxien sind, die Gas antreiben – das heißt, sie ernähren sich von Gas und sogar Sterne zerstören – und leuchten dabei genauso hell oder heller als ihre Muttergalaxien. Wir wissen, dass jede Galaxie ein solches Schwarzes Loch in ihrem Herzen hat, aber die meisten von ihnen schlafen. Ein kleiner Teil davon ist jedoch eingeschaltet und betankt. Wir verstehen nicht wirklich, wie sich die Schwarzen Löcher und ihre Muttergalaxien gemeinsam entwickeln. Wir haben Beweise dafür, dass einer den anderen kontrolliert, aber wir wissen nicht wie.

Drittens wurde Hubble auch gebaut, um das Gas zwischen Galaxien zu untersuchen. Und wir verstehen jetzt, dass Galaxien ständig von diesem Gasnetz gespeist werden, das Galaxien miteinander verbindet – wie diese Struktur, die den Hohlraum mit einer wunderschönen Art von Filamentgeometrie überspannt. Und wir wissen, dass die Art und Weise, wie Galaxien mit diesem Netzwerk verbunden sind, darüber entscheidet, wie sie Energie erzeugen und wachsen können. Es macht Spaß, über dreißig Jahre zurückzudenken und zu erkennen, wie wenig wir vor dreißig Jahren verstanden haben und wie weit wir gekommen sind.

Was ist mit JWST?

Für JWST waren die Fragen, von denen wir wussten, dass wir sie stellen würden: Wie sahen die ersten Milliarden Jahre aus? Wie entstanden Galaxien? Basierend auf den Daten, die wir bisher haben, werden wir diese Frage hervorragend beantworten können. Wir finden Galaxien weiter zurück, als wir für möglich gehalten hätten. Wir blicken in die Zeit zurück, etwa dreihundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Der Elevator Pitch, den wir beim Verkauf von JWST genutzt haben, war, dass wir die Babybilder des Universums sehen werden. Und das werden wir auf jeden Fall tun.

JWST wurde auch gebaut, um die Atmosphären von Planeten zu untersuchen, die andere Sterne umkreisen. Das ist der andere wirklich hochkarätige wissenschaftliche Fall. Und das tun wir, aber wir sind in unserem ersten Jahr der wissenschaftlichen Beobachtungen noch nicht weit genug gekommen.

Welche Lücken in der Wissenschaft schließen die einzigartigen Fähigkeiten des JWST?

JWST arbeitet im Infrarot. Es wurde entwickelt, um das Licht des Universums zu sehen, das für Hubble, das hauptsächlich im optischen und ultravioletten Bereich sieht, völlig unsichtbar ist. Das „blauste“ Licht, das JWST sehen kann, ist etwa der Farbton von Rotwein, und von da an wird es röter.

Aufgrund des Urknalls dehnt sich der Weltraum aus – nicht nur der Stoff im Weltraum, sondern das Gefüge des Weltraums selbst. Und auch das Licht, das wir von entfernten Objekten sehen, ist durch die Expansion des Universums gedehnt worden. Dadurch wird das Licht dieser entfernten Objekte zu längeren Wellenlängen gestreckt. Es verschiebt sich ins Rote, zu niedrigeren Energien.

Es ist einfach wirklich cool, dass wir fast bis zum Ende des Universums sehen können, oder? Wir können das tun, weil sich das Licht nur mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbreitet: der Lichtgeschwindigkeit. Wir untersuchen Galaxien, deren Licht sich seit mehr als dreizehn Milliarden Jahren bewegt. Das Universum ist nur etwa 13,8 Milliarden Jahre alt! Das sind die Babybilder von buchstäblich allem und insbesondere von den Babygalaxien, die sich in ausgereifte Galaxien wie unsere Milchstraße verwandelt hätten.

Warum muss JWST sonst noch im Infrarotbereich sehen?

Ein Großteil des Universums ist mit dem gefüllt, was wir Staub nennen, ähnelt aber in Wirklichkeit eher Rauch. Und dieser Rauch verbirgt, was wir sehen wollen. Insbesondere die Orte, an denen neue Sterne geboren werden, sind wirklich staubige Orte. Sie können mit einem optischen Teleskop nicht durch sie hindurchsehen, aus dem gleichen Grund, aus dem Ihre Augen nicht durch sie hindurchsehen können. Ein Teleskop wie Hubble kann das auch nicht. Aber Infrarotlicht dringt einfach durch den Staub. Es gibt uns einen Blick auf einen Teil des Universums, der zuvor verborgen war. Wir glauben, dass die Hälfte der Sterne im Universum für uns verborgen ist, aber mit JWST und Infrarot sollten sie auftauchen.

Vielleicht ist dies eine Einschränkung meiner Kindheitserziehung, aber da ich jetzt weiß, dass Licht gedehnt wird, bin ich neugierig, wie sich Licht, das dreizehn Milliarden Jahre lang durch das gesamte Universum reist, sonst noch verändern wird, bevor es hier ankommt. Ist das, was wir sehen, so, wie es tatsächlich aussah?

Sie fragen sich also im Grunde: Ist den Boten unterwegs etwas passiert?

Ja.

Im Allgemeinen nein, aber in gewisser Weise ja. Das ist eigentlich eine wirklich schöne Frage. Das Licht wird gestreckt, aber Licht kann auch absorbiert werden. In der Astronomie gibt es eine nette Technik, bei der wir eine entfernte Taschenlampe suchen und dann das Licht untersuchen, das fehlt, weil es unterwegs von Gas absorbiert wurde. Photonen können auch gestreut werden. Abgesehen von diesen beiden Dingen ändert es jedoch nichts am Grundbild. Wir bekommen wirklich eine Momentaufnahme davon, wie die Dinge damals aussahen. Und davon habe ich in der Schule bestimmt nichts gelernt!

Wie lange wissen wir das alles schon? Ich habe einmal gelesen, dass der menschliche Geist strukturell alles hatte, was er brauchte, um vor etwa hunderttausend Jahren das Hubble-Weltraumteleskop zu bauen: Wir hatten einfach nicht die technische Fähigkeit dazu. Aber wenn das kein Limit wäre, wie lange hätten wir dann schon die richtigen Fragen gekannt, um JWST aufzubauen?

Ich liebe diese Frage, denn Sie haben Recht: Den modernen Menschen gibt es schon seit ein paar hunderttausend Jahren. Ich weiß das, weil ich mein Kind in die Hall of Human Origins im Smithsonian mitgenommen habe. Die alten Menschen kannten die Milchstraße viel besser als wir, denn heute gibt es Lichtverschmutzung. Aber die Astronomie war ein Teil ihres täglichen Lebens, sowohl beim Geschichtenerzählen als auch, als wir die Landwirtschaft erfanden, bei der Frage, wann die Pflanzen angebaut werden sollten.

Sicherlich gehe ich davon aus, dass die Menschen die großen Fragen am Lagerfeuer gestellt haben, seit wir über Sprache verfügen und moderne Menschen mit großem Gehirn sind. Wie hat alles angefangen? Unterscheiden wir uns von den anderen Tieren? Was kam davor? Gibt es andere Planeten? Gibt es noch andere Orte wie diesen? Das wirklich Coole daran, jetzt zu leben, ist, dass wir einige echte Antworten auf diese Fragen bekommen können. Die Technologie, mit der JWST gebaut wurde, ist dieselbe Technologie, die man zum Bau eines Teleskops benötigen würde, um erdähnliche Planeten um nahegelegene Sterne zu untersuchen und zu sehen, ob es Leben gibt Dort. Das ist erstaunlich, oder? Seit es Menschen gibt, haben wir uns immer gefragt: Sind wir allein? Aber wir befinden uns in einer Generation, in der wir über die Technologie verfügen, um es einfach herauszufinden. Nicht einmal eine Generation. Ein oder zwei Jahrzehnte.

Die wunderschöne Milchstraße dort oben ist nicht die einzige, die so ist. Es gibt Tausende. Wie kam es also dazu? Wir wissen erst seit der fantastischen These von Cecilia Payne-Gaposchkin aus dem Jahr 1925, woraus Sterne bestehen – wahrscheinlich die beste astronomische These, die jemals geschrieben wurde. Das war ihre These! Kannst du dir das vorstellen? Wir setzen uns alle hin und sagen: „Ich muss etwas Nützliches für meine Abschlussarbeit machen.“ Und sie sagte: „OK, hier ist, woraus Sterne gemacht sind.“ Weil niemand es wusste! Sie nutzte diese brandneue Wissenschaft der Quantenmechanik zusammen mit Daten über die Fingerabdrücke von Sternen und fand heraus, woraus Sterne bestehen. Das haut mich immer noch um. Sterne bestehen aus Wasserstoff und Helium mit einer Menge Spurenelementen, und sie hat es herausgefunden. Können Sie sich einen Wissensstand vorstellen, der so weit offen ist?

Glauben Sie nicht, dass wir in gewisser Weise immer noch in dieser Welt leben?

Vielleicht tun wir das. Weil wir nicht wissen, wie groß der Großteil der Masse und Energie im Universum ist. Wir wissen, woraus etwa vier Prozent des Universums bestehen – der Stoff wie wir. Baryonische Materie. Aber wir wissen nicht, was dunkle Materie ist, obwohl es da draußen noch viel mehr davon gibt. Es ist verwirrend und nervig. Und wir wissen nicht, was dunkle Energie ist. Es ist diese seltsame abstoßende Kraft, die dafür sorgt, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Das ist lächerlich – was ist das? Wir haben das nicht vorhergesehen, aber es ist da. Es gibt Thesen zu schreiben, in denen jemand die Dunkle Materie löst oder herausfindet, was dunkle Energie ist.

Auf welche große, offene Frage in der Astronomie würden Sie in Ihrem Leben am liebsten eine Antwort sehen?

Oh Gott. Wissen Sie, das wird mir ein bisschen das Gefühl geben, ein Verräter meines Fachgebiets zu sein, denn ich untersuche, wie sich Galaxien entwickeln, wie Galaxien Sterne bilden, woraus Galaxien bestehen und wie sie aussehen. Das ist, was ich tue. Und es gibt genug interessante und wichtige Fragen dazu, um ein paar Leben lang zu beschäftigen. Aber so sehr ich diese Wissenschaft liebe, denke ich, dass das Wichtigste, was die Astronomie leisten kann, darin besteht, herauszufinden, ob wir allein im Universum sind. Finden Sie heraus, ob es andere Planeten gibt, die nicht nur bewohnbar, sondern auch bewohnt sind. Welchen Platz haben wir im Universum? Ich kenne keine tiefergehende Frage. Ich würde hoffen – aber das könnte der Idealist in mir sein –, dass es uns als Spezies unabhängig von der Antwort helfen würde, besser für den einen Planeten zu sorgen, von dem wir wissen, dass er Leben beherbergen kann. Es könnte sein, dass dies eine sehr seltene Oase in einem einsamen Universum ist.

Sind diese Teleskope besser darin, uns neue Fragen oder endgültige Antworten zu geben?

Manchmal werden unsere Paradigmen umgeworfen und wir verschieben die Grenzen unserer eigenen Unwissenheit. Wir wissen jetzt zum Beispiel, wie man Gold herstellt. Als ich an der Graduiertenschule war, wussten wir nicht, wo in den Sternen Gold hergestellt wird. Dank des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory wissen wir jetzt, dass Gold von einer bestimmten Art explodierender Sterne stammt.

Als ich in der High School war, wussten wir nicht, wie viele andere Planeten andere Sterne umkreisen und wie selten sie sein könnten. TESS der NASA verriet uns die Antwort. Aber dann stellten wir eine interessantere Frage: Wie sind sie? Wir müssen also die gesamte Chemie des JWST untersuchen, um zu verstehen, wie diese Planeten aussehen. Und dann könnten wir sagen: Könnte einer von ihnen das Leben unterstützen? Und das ist immer noch eine kompliziertere Frage. Vielleicht beantworten wir also die grundlegenden Fragen und gehen dann zu differenzierteren, aber in gewisser Weise tiefgreifenderen Fragen über.

Sie haben angesprochen, dass die Astronomie jahrhundertelang in vielen Bereichen des Alltagslebens von unschätzbarem Wert war – von der Landwirtschaft über die Navigation auf dem Meer bis hin zur Berechnung heiliger Feiertage. Jeder spürte die Auswirkungen. Inwiefern gehört die Astronomie immer noch zum Bereich des Praktischen, oder existiert die Astronomie heute für Astronomen so gut wie?

Die Astronomie ist immer noch die Grundlage unseres Lebens, und zwar wahrscheinlich mehr als früher. Es ist einfach unsichtbar. GPS nutzt die Allgemeine Relativitätstheorie, wie sie an astronomischen Objekten entwickelt und getestet wurde. Ohne Relativitätstheorie würde GPS in ein paar Minuten nicht mehr funktionieren. Wir verlassen uns immer noch auf Kalender, die uns sagen, wann wir Dinge erledigen müssen. Wir messen, wann wir diese winzigen kleinen Schaltsekunden hinzufügen müssen, um die Genauigkeit unserer Kalender zu gewährleisten. Jedes Mal, wenn Sie mit Ihrem Telefon ein Foto aufnehmen, verwenden Sie eine CMOS-Digitalkamera, die größtenteils für die Astronomie entwickelt wurde. Es gibt also viele praktische Aspekte, aber das ist nicht der Grund, warum wir Astronomie betreiben.

Im Grunde geht es in der Astronomie darum, zu wissen, wie wir hierher gekommen sind. Und jeder hat sich das gefragt. Wie kam ich hier hin? Was ist der Punkt? Was ist das Gesamtbild? Was ist größer als ich? Und was wird hier sein, wenn ich weg bin?

Ist es das, was uns an Bildern von JWST fasziniert?

Ich denke, es gibt zwei Gründe, warum die Astronomie so faszinierend ist und einen übergroßen Platz im öffentlichen Bewusstsein einnimmt, auch wenn es eigentlich nicht viele Astronomen gibt. Wir machen die Titelseiten von Zeitungen zum Teil deshalb, weil das, was wir machen, optisch beeindruckend ist. Denn das Universum ist ein wunderschöner und wunderbarer Ort. Ich finde es immer noch überraschend, dass wir das Universum als schön ansehen, denn dafür hat sich unser Gehirn nicht entwickelt. Sie haben sich so entwickelt, dass sie nicht von Säbelzahntigern gefressen werden. Kommunizieren und kooperieren, überleben und zusammenarbeiten. Aber wir sehen das Universum als schön an. Ein Teil dessen, was Astronomen tun, besteht darin, dieses Gefühl der Verbundenheit und des Staunens zu vermitteln. Die Astronomie zeigt uns, was da draußen ist.

Die Daten erzählen die Geschichte, dass alle Elemente in unserem Körper, mit Ausnahme des Wasserstoffs in Wassermolekülen, in Sternen entstanden sind. Der ganze Sauerstoff, der ganze Kohlenstoff, der ganze Stickstoff, das ganze Eisen: All das wurde in Sternen erzeugt und dann durch mehrere Generationen von Sternexplosionen und Supernovae ausgespuckt, und dann verschmolzen diese Trümmer zu neuen Sternen. Wir sind also im wahrsten Sinne des Wortes Teil der Geschichte. Carl Sagan sagte tiefgründig, dass wir aus Sternenmaterial bestehen, und das ist wirklich wahr, mit Ausnahme des Wasserstoffs, der vom Urknall übrig geblieben ist. Sogar das Eisen, das die Energie um Ihren Körper transportiert, wurde bei einer Sternexplosion hergestellt, an der etwas beteiligt war, von dem wir glauben, dass es sich um eine Supernova vom Typ 1A handelt – einen alten Stern. Die Kohlenhydrate, die Sie essen, der Sauerstoff, den Sie atmen – all das wurde in riesigen Sternen erzeugt, die sehr schnell explodierten. Und das ist im wahrsten Sinne des Wortes unsere Entstehungsgeschichte. ♦