von Ludwig Scheibe (TU Berlin), März 2025
Überblick
Das James-Webb-Space-Telescope JWST, häufig einfach Webb genannt, ist ein leistungsstarkes Infrarotteleskop. Wie der Name andeutet, operiert Webb im Weltraum, wo es nicht den störenden Einflüssen der Erdatmosphäre ausgesetzt ist und durchgängig beobachten kann, ohne auf Tag und Nacht Rücksicht nehmen zu müssen. Es wird als die Fortsetzung der seit 1990 andauernden Hubble-Mission betrachtet und dient vielerlei Bereichen der Astronomie: Es beobachtet ferne Galaxien, vermisst Sterneigenschaften, gibt Auskunft über das frühe Universum kurz nach dem Urknall und, für diese Seite von besonderem Interesse, bildet extrasolare Planeten ab und erforscht ihre Zusammensetzung mittels Spektroskopie.
Künstlerische Darstellung des James-Webb-Weltraumteleskops. Quelle: NASA.
Webb wurde gemeinsam von der US-Amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA, der Europäischen Raumfahrtagentur ESA und der kanadischen Weltraumbehörde CSA entwickelt und gebaut. Ebenso wie das Hubble-Teleskop wird auch das Webb vom Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore betrieben. Namensgeber ist James Webb, der von 1961 bis 1968 die NASA leitete und den Aufbau der Weltraumbehörde maßgeblich mitgestaltete.
Am 25. Dezember 2021 startete Webb auf einer Arianne-5-Rakete und erreichte etwa einen Monat später, am 24. Januar 2022, seinen finalen Orbit. Seitdem hat Webb in vielen Feldern die astronomische Forschung erweitert. Jedes Jahr haben Forschende die Möglichkeit, im Rahmen des General-Observer-Programms für das kommende Jahr Beobachtungszeit zu beantragen. Die Anträge werden dann begutachtet und die vielversprechendsten ausgewählt.
Das Instrument
Der wabenförmige Primärspiegel ist wohl das markanteste Element des Webb-Teleskops. Er hat einen Durchmesser von 6,5 Metern und besteht 18 einzelnen, sechseckigen Elementen. Jedes Element ist einzeln steuerbar, was eine hochpräzise Justierung des gesamten Spiegels erlaubt. Mit diesem fängt Webb Licht ein und bündelt es auf den Sekundärspiegel, nicht unähnlich einer Satellitenschüssel. Webb beobachtet infrarotes Licht, also Licht mit einer Wellenlänge die zu lang ist, als dass wir Menschen sie sehen könnten.
Das Licht wird dann in vier verschiedene Instrumente gefüttert, die es in seine einzelnen Wellenlängen aufteilen und näher analysieren. Drei der Instrumente – NIRSpec, NIRISS, NIRCam – decken den Wellenlängebereich zwischen etwa 0.6 und 5 Mikrometern ab, das so genannte “Nahe Infrarot”, und das vierte, MIRI, den “Mittleren Infrarotbereich” zwischen etwa 5 und 30 Mikrometern Wellenlänge. NIRSPec und MIRI wurden übrigens mit maßgeblicher europäischer Beteiligung gebaut. Mehr über die einzelnen Instrumente kann man auf der Seite des STScI nachlesen (Englisch).
Eine wichtige Herausforderung ist es, das Teleskop kühl zu halten und vor Sonnenstrahlung zu schützen. Daher ist der eigentliche Beobachtungsapperat immer von der Sonne abgewandt und ein fünflagiger Schutzschirm hält die Sonnenstrahlen ab.
Aufbau des James-Webb-Teleskops. Links ist die Sonnen-abgewandte (“kalte”) Seite und zeigt den Haupt- und Sekundärspiegel sowie den mehrlagigen Sonnenschild und das Modul mit den , das die vier Instrumenten enthält. Rechts ist die der Sonnen-zugewandte (“heiße”) Seite, die die Antenne zur Kommunikation mit der Erde, das Solarpanel und das Modul für die hauptsächliche Elektronik und Antriebstechnik (Bus) zeigt. Quelle: STScI
Von wo aus schaut Webb?
Im Gegensatz zu seiner Vorgängermission Hubble befindet sich Webb nicht in einer Umlaufbahn um die Erde. Stattdessen umrundet es gemeinsam mit der Erde die Sonne, und zwar auf dem so genannten Lagrange-Punkt 2. An diesem Punkt, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde auf der verlängerten Verbindungslinie zwischen Erde und Sonne, heben sich die verschiedenen Kräfte, die auf das Teleskop wirken, nahezu auf und es kann mit wenig Treibstoff an diesem Punkt gehalten werden.
Schematische Darstellung des Erdorbits um die Sonne und den fünf stabilen Lagrange-Punkten L1 bis L5. Webb kreist um den L2-Punkt rechts im Bild. Bildquelle: NASA, STScI
Ergebnisse aus der Welt der Exoplaneten
Im Gegensatz zu Missionen wie Kepler und PLATO, die vor allem zum Ziel haben, durch eine breite Durchmusterung des Sternenhimmels neue Exoplaneten zu finden, entdeckt James Webb keine neuen Planeten. Stattdessen erlaubt es uns, bereits bekannte Planeten in nie zuvor gekanntem Detailgrad zu charakterisieren.
Bereits unter den ersten vier Pressemitteilungen, die von Webb im Juli 2022 veröffentlicht wurden, war ein Ergebnis aus dem Bereich Exoplaneten: das genaue Transmissionsspektrum der Atmosphäre des heißen Jupiters Wasp-96 b zeigt charakteristische Spuren von verschiedenen Gasen in der Atmosphäre, darunter auch Wasserdampf.
Transmissionsspektrum des heißen Jupiter WASP-96b, gemessen vom James-Web-Weltraumteleskop. Stärke der Lichtabsoprtion in Abhängigkeit der Wellenlänge des Lichts. Weiß: Messpunkte, blau: Spektrum des am besten passenden Computermodells. Quelle: NASA, ESA, CSA, STScI
Und seitdem ging es immer weiter. Seit dem Beginn des wissenschaftlichen Betriebs waren über ein Viertel der erfolgreichen Anträge auf Beobachtungszeit im Bereich Exoplanetenforschung angesiedelt. Viele davon waren im Bereich Spektroskopie, wie auch schon Wasp-96 b. Ein anderer Exoplanet, WASP-17b, dessen Spektrum Webb beobachtet hat, zeigte kleine Quarzkristalle, winzig kleine Sandkörner, in den Wolken dieses heißen Jupiters.
Aber auch in anderen Bereichen hat Webb für Schlagzeilen gesorgt. So wurde beispielsweise 2023 mit Webb die Wärmestrahlung von Trappist-1 b gemessen, eines Gesteinsplaneten, der nur etwa so warm wie Merkur ist. Zuvor war das mit diesen kleinen Welten nur sehr selten gelungen und nur, wenn sie sie heiß sind. Diese Messung von Trappist-1 b legt nahe, dass der Planet vermutlich keine signifikante Atmosphäre hat. Das gibt Hinweise darauf, wie gut Planeten um diesen Sternentyp ihre Atmosphäre behalten können.
Künstlerische Darstellung des Gesteinsplaneten Trappist-1 b, der einen kleinen, roten Zwergstern umkreist. Laut James-Webb-Beobachtungen ist es vermutlich ein blanker Felsen ohne Atmosphäre. Quelle: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Derzeit ist Webb im dritten von fünf geplanten Betriebsjahren. Die Mission kann dann noch mal verlängert werden, um um mindestens weitere fünf Jahre. Wir können also gespannt sein, welche weiteren spektakulären Ergebnisse uns das James-Webb-Weltraumteleskop noch beschert.
Um mehr zu erfahren, besuchen Sie die JWST-Webseite der NASA oder die Teleskopseite des Webb am STScI.