Sternwarte der Superlative

Auch irdische Teleskope können bestimmte Bereiche der Infrarotstrahlung aus dem All messen. Die meisten Wellenlängen werden jedoch von der Erdatmosphäre ganz oder teilweise blockiert – und die Luftunruhe setzt der Qualität von Fotos und Spektren ebenfalls Grenzen. Besonders für lichtschwache Objekte ist das JWST einzigartig.

Zum Glück gelangen Start und Aktivierung des Webb-Teleskops perfekt. Anders als beim Hubble-Teleskop im Erdorbit, das zunächst unter einem schweren optischen Konstruktionsfehler litt und eine Art Korrekturbrille benötigte, könnte das JWST weder von Astronauten noch von Robotern repariert oder gewartet werden.

„Es war eine emotionale Achterbahnfahrt. Wir hatten vorab 344 mögliche Fehler beim Entfalten der Spiegel und der Inbetriebnahme definiert“ – und jeder einzelne hätte fatale Folgen haben können, erinnerte sich Jane Rigby vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, auf der Konferenz in Baltimore. Als Senior Project Scientist ist sie seit Juni 2023 wesentlich für den JWST-Betrieb zuständig. Ihr Vorgänger war John C. Mather. Der Physik-Nobelpreisträger von 2006 hatte diese Aufgabe seit 1995 inne.

„Die Inbetriebnahme zeigte, dass das JWST voll und ganz in der Lage ist, die Entdeckungen zu machen, für die es gebaut wurde“, lautet nach ausgiebiger Prüfung das Fazit des Webb-Teams unter der Leitung von Jane Rigby in einer im April 2023 in den Publications of the Astronomical Society of the Pacific veröffentlichten Dokumentation. „Außerdem ist die wissenschaftliche Leistung des JWST fast durchgängig besser als gedacht. Das Teleskop und seine Instrumente haben die Empfindlichkeit, Stabilität, Bildqualität und Spektralbereiche, die notwendig sind, um unser Verständnis des Kosmos durch Beobachtungen zu erweitern, die von erdnahen Planetoiden bis zu den entferntesten Galaxien reichen.“

Nach wie vor erfüllt oder übertrifft das JWST seine Konstruktionsspezifikationen. „Die Optiken sind viel stabiler als es die Anforderungen vorsehen“, fasste Jane Rigby den aktuellen JWST-Zustand auf der Konferenz in Baltimore zusammen. Nur alle paar Wochen sind kleine Korrekturen der Spiegel-Ausrichtungen nötig. „Auch die Bildqualität ist fast doppelt so gut wie erwartet und vorhergesagt.“ Hinzu kommt erfreulicherweise, dass der Himmel für das JWST dunkler ist als angenommen und auch weniger störendes Streulicht einfällt. Nur die Effizienz zweier der vier spektroskopischen Messkanäle des Mid-Infrared Instruments (MIRI) macht Probleme, weil der Durchsatz hier um 10 bis 50 Prozent abgenommen hat. MIRI ist so empfindlich, dass es eine Kerzenflamme noch aus einer Milliarde Kilometer Abstand detektieren könnte.

Effizient und nachhaltig

Der große Enthusiasmus bei der astronomischen Aufbruchsstimmung ins Reich des infraroten Universums war in der Baltimore-Konferenz deutlich zu spüren. Fast alle Referenten rühmten die Leistungsfähigkeit und Empfindlichkeit des Teleskops und seiner Sensoren, die hohe Qualität der Daten sowie die Brillanz der Bilder.

Nur die begrenzte Beobachtungszeit ist frustrierend, denn angesichts der Fülle hochkarätiger Anträge ist das James Webb Space Telescope momentan um ein Mehrfaches überbucht. Auch in der ununterbrochenen Weltraumnacht hat ein Forschungstag eben nur 24 Stunden.

Immerhin arbeitet das Observatorium sehr effizient. Mehr als 83 Prozent der Zeit wird für astronomische Forschungen genutzt. Das ist auch gut so, denn je nachdem, wie man es rechnet, kostet die NASA eine Stunde Beobachtungszeit 19.000 Dollar oder mehr. 15 Prozent der Zeit ist für Drehungen der Optik und Korrekturen nötig.

Auch sind die langfristigen Aussichten weitaus besser, als es selbst besonders optimistische Planungen prognostiziert hatten, freute sich Jane Rigby in Baltimore. Weil das Webb-Teleskop von der ESA sehr genau auf seine Bahn zum Ziel geschossen wurde, ließ sich viel Treibstoff sparen, der nun für Kurskorrekturen zur Verfügung steht (ungefähr alle drei Wochen eine für wenige Dutzend Sekunden). Dadurch hat sich die potenzielle Einsatzdauer des Teleskops mehr als verdoppelt. Falls es nicht zu technischen Ausfällen kommt und die Finanzierung gewährleistet bleibt, könnte es noch in 25 Jahren betrieben werden. Möglich wäre sogar, eine robotische Sonde zum Nachtanken auszusenden, weil es eine Vorrichtung zum Auffüllen des Treibstoffs gibt (Hydrazin und Distickstofftetroxid), die vor dem Start des Teleskops genutzt wurde.

Unter Beschuss

Auch die ersten kleinen Schäden beeinträchtigten die Freude nicht. Erwartungsgemäß wurde das JWST bereits mehrfach von Mikrometeoriten getroffen – 52 Mal bis Anfang September 2023. Denn sogar das Vakuum des Weltraums ist nicht völlig leer. Vor allem der 6,5 Meter große Primärspiegel bietet dem kosmischen Feinstaub eine große Angriffsfläche. Deshalb waren kleine Treffer von Anfang an einkalkuliert worden. Sie können kompensiert werden durch eine neue Justierung der insgesamt 18 im Inkreis je 1,3 Meter durchmessenden Spiegelsegmente aus vergoldetem Beryllium sowie durch Fehlerrechnungen bei der Analyse der Bilddaten. Das gilt selbst für einen ungewöhnlich Einschlag, der das Segment C3 im Mai 2022 malträtierte; seine Stärke übertraf die Annahmen der NASA um den Faktor 120.

„Wie erwartet, registrieren wir auf dem Hauptspiegel durchschnittlich zwei bis drei Mikrometeoriten-Treffer pro Monat“, sagt Mike Menzel. Er ist leitender Webb-Missionssystemingenieur am Goddard Space Flight Center. „Die daraus resultierenden optischen Fehler liegen mit der Ausnahme vom Mai 2022 bislang alle im Rahmen dessen, was wir beim Bau des Observatoriums geplant hatten. Doch auch nach diesem Ereignis, das schlicht Pech war, ist unsere aktuelle optische Leistung immer noch doppelt so gut wie unsere Anforderungen.“

Trotzdem nimmt das Webb-Team die Risiken ernst. „Mikrometeoriten, die frontal auf den Spiegel treffen, also entgegen der Bewegungsrichtung des Teleskops, haben die doppelte Relativgeschwindigkeit und die vierfache kinetische Energie. Wenn es möglich ist, diese Richtung zu vermeiden, wird das dazu beitragen, die exquisite optische Leistung über Jahrzehnte hinweg zu erhalten“, sagt Lee Feinberg, der bei NASA-Goddard für die JWST-Optik zuständig ist. Diese Anpassung wird langfristig einen statistischen Nutzen haben.

Die astronomischen Beobachtungen werden nun so geplant, dass der Hauptspiegel sich möglichst von der Bewegungsrichtung des JWST abwendet. Diese Zeit des größten Risikos ließ sich bereits von 40 auf 20 Prozent reduzieren. Das bedeutet nicht, dass diese Himmelsbereiche nicht erforscht werden, sondern nur, dass diese Regionen möglichst zu einem anderen Zeitpunkt im Jahr aus einer anderen Bahnposition erkundet werden. Zeitkritische Beobachtungen, etwa Ziele im Sonnensystem oder ferne Sternexplosionen, erfolgen auch weiterhin in der Mikrometeoriten-Vermeidungszone. Auch werden bekannte Meteoritenströme von Kometen bei der Ausrichtung berücksichtigt. Allerdings stammen die meisten Staubkörnchen nicht von solchen Kometenpartikeln, sondern sind einfach da und zufällig im interplanetarischen Raum verteilt.

Glanz, Kooperation und Konkurrenz

Die ersten JWST-Resultate wurden am 12. Juli 2022 veröffentlicht, dem offiziellen Beginn des wissenschaftlichen Betriebs. Schon vorher liefen zu Testzwecken ausgewählte Forschungsprojekte, deren Resultate nun bekannt gegeben wurden und sogleich auf große Resonanz stießen. Am Tag zuvor, dem 11. Juli, enthüllte US-Präsident Joe Biden zusammen mit Astronomen das (von Testaufnahmen abgesehen) allererste JWST-Foto: eine Langzeitbelichtung mit zahlreichen fernen Galaxien, deren Auswertung viele Forscher noch immer beschäftigt.

Fast 1.000 wissenschaftliche Artikel sind inzwischen erschienen oder im Druck, die auf JWST-Daten basieren. Sie betreffen fast alle Bereiche der Astronomie. Beispielsweise wurden im Sonnensystem Planetoiden und die äußeren Planeten sowie die Kuiper-Objekte jenseits von Neptun observiert. In der Milchstraße reicht das Repertoire von Protosternen, die gerade erst mit der Kernfusion beginnen und noch von planetenbildenden Staubscheiben umlaufen werden bis hin zu den finalen Trümmern von Sternexplosionen und deren kollabierten Kernen. In interstellaren Gas- und Staubwolken ließen sich Moleküle identifizieren, die dort bislang nicht bekannt waren. Zahlreiche fremde Planeten bei anderen Sternen wurden ins Visier genommen: teilweise direkt abgelichtet, teilweise analysiert hinsichtlich der Zusammensetzung ihrer Atmosphäre.

Hinzu kommt eine Fülle von Informationen über andere Galaxien: von unserer Nachbarschaft bis an den Rand des beobachtbaren Universums. Denn das Webb-Teleskop kann weiter in den Raum sowie in die Vergangenheit blicken als alle vergleichbaren Instrumente zuvor. Schon in den ersten Monaten fanden Forscher zu ihrer großen Überraschung Indizien dafür, dass es Milliarden von Lichtjahren entfernt viel mehr und viel leuchtkräftigere Urgalaxien gibt, als dies im Rahmen des kosmologischen Standardmodell vorausgesagt wurde – muss es womöglich revidiert werden?

Die Produktivität der Wissenschaftler ist also enorm – und ebenso die Konkurrenz. Weil viele Fotos und Daten sofort zugänglich sind, können sich auch Astronomen an der Auswertung und Interpretation beteiligen, die keine Anträge gestellt oder bewilligt bekamen und somit an der Organisation und Bearbeitung der Messungen nicht beteiligt waren. Das erhöht einerseits den Nutzen und die Arbeitsleistung sowie den Erkenntnisfortschritt insgesamt. Andererseits benachteiligt es nicht selten jene, die zunächst die Idee und Arbeit hatten und nun womöglich um die erste Ernte ihrer Früchte gebracht werden. Dies ist vor allem für junge Wissenschaftler ohne Festanstellung ein Problem, da sie im überhitzten Klima des Wettbewerbs um Fördergelder und Publikationen besonders wetteifern müssen.

Die wissenschaftsethischen Probleme werden zwar mehr und mehr wahrgenommen. Sie sind aber noch weit von gerechten Lösungen entfernt. Insofern landen selbst manche hochfliegenden himmlischen Errungenschaften oft notgedrungen wieder im schnöden Erdenstaub.