James-Webb-Weltraum­teleskop: Ein Blick in die Früh­zeit des Universums

Am 12. Oktober 2021 war es endlich so weit: Das James-Webb-Weltraumteleskop erreichte den Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guyana. Damit bog die teuerste unbemannte Weltraummission aller Zeiten auf die Zielgerade ein: Bis zum Start am 18. Dezember wird das gewaltige Weltraumteleskop nur noch auf eine Rakete verladen.

Damit geht eine mehr als zwanzigjährige Vorbereitungsphase zu Ende: 1996 einigten sich die Weltraumagenturen Nasa und Esa auf die Entwicklung des «Next Generation Space Telescope», das ursprünglich 2011 abheben sollte. Doch «Webb», wie das Teleskop auch genannt wird, verzögerte sich immer wieder. Für die Agenturen ist das nicht besonders aussergewöhnlich, denn ein Entwicklungsprojekt, das sich am Rande der Machbarkeit bewegt, braucht schlussendlich so lange, wie es halt braucht.

Nachfolger für einen Meilenstein

Um zu verstehen, warum die Raumfahrtagenturen so einen enormen Aufwand für ein Weltraumteleskop betreiben, müssen wir einen Blick zurück auf das Hubble-Weltraumteleskop werfen. Seit 1990 macht das Teleskop in seiner Erdumlaufbahn Aufnahmen vom Weltall. Schon damals verfügten irdische Observatorien bereits über deutlich grössere Spiegel und konnten somit mehr Licht einfangen als Hubble mit seinem verhältnismässig kleinen Spiegeldurchmesser von 2,4 Metern. Theoretisch konnten grössere Teleskope auf der Erde damit eine höhere Bildqualität erreichen.

Aber eben nur theoretisch, denn Hubble konnte die störenden Einflüsse der Erdatmosphäre umgehen: Temperaturunterschiede in der unruhigen Luftmasse sorgen für Dichteunterschiede. Das führt dazu, dass Sterne am Nachthimmel scheinbar flackern – auch, wenn sie von einem Teleskop beobachtet werden. Hubbles Bilder ohne atmosphärische Störung stellten damit alles bisher Dagewesene in den Schatten. Es dauerte gut und gerne zwanzig Jahre des technologischen Fortschritts, bis die Bildqualität erdgebundener Teleskope zum alternden Weltraumteleskop aufschliessen konnte: Heute können adaptive Optiken in den Grossteleskopen den Störeffekt zu grossen Teilen ausgleichen.

Nasa,Esa

2004 nahm Hubble das «Ultra Deep Field» auf. Der Blick auf eine der dunkelsten Stellen des Himmels, an der kein Stern der Milchstrasse zu sehen ist, entlarvt das Universum als Wimmelbild unzähliger Galaxien.

Mit den Fortschritten der Observatorien auf der Erde wurden die Anforderungen an ein Weltraumteleskop deutlich spezifischer: Infrarotstrahlung wird von der Erdatmosphäre besonders stark beeinträchtigt und kann von der Erde darum besonders schlecht beobachtet werden – Webb soll genau diese Beobachtungslücke schliessen. Denn Infrarotstrahlung ist für die Wissenschaft besonders spannend: Aufgrund des Dopplereffekts ist alles Licht aus den entferntesten Galaxien infrarot. Webb soll also Objekte beobachten, welche mehr als 13,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind. Das ist nicht nur ein Blick in enorme Ferne, sondern auch ein Blick auf die Entstehung der ersten Galaxien: Das Licht, das Webb aufnimmt, stammt aus der Frühzeit des 13,8 Milliarden Jahre alten Universums.

Noch nie dagewesene Herausforderungen

Der Fokus auf Infrarotteleskopie hat den Anforderungskatalog an ein Weltraumteleskop im Vergleich zu Hubble deutlich vergrössert. Um auch die letzten störenden Einflüsse der Erde auszumerzen, wird das Teleskop daher viel weiter von der Erde entfernt stationiert: Webb folgt nicht wie Hubble einer Erdumlaufbahn, sondern wird zum sogenannten Lagrange-Punkt L2 gebracht, wo das Teleskop verbleibt: Rund 1,5 Millionen Kilometer auf der sonnenabgewandten Seite der Erdbahn gleichen sich die Anziehungs- und Fliehkräfte von Sonne und Erde so aus, dass ein Körper dort seine Position relativ zur Erde halten kann.

Nicht nur hinsichtlich der Position steigen die Anforderungen: Jeder warme Körper strahlt im Infrarotbereich und beeinträchtigt damit die Aufnahmequalität. Daher müssen die Instrumente von Webb so kalt wie möglich sein: Ein Sonnenschild von der Grösse eines Tennisplatzes sorgt dafür, dass der 6,5 Meter grosse Spiegel im kalten Schatten liegt. So sinken die Temperaturen auf etwa vierzig Grad über dem absoluten Nullpunkt. Für den mittel- bis langwelligen Infrarotbereich treten aber selbst dann noch Störungen auf: Darum wird der hierfür zuständige Sensor zusätzlich aktiv auf weniger als sieben Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt.

Bangen bis zum ersten Licht

Technisch ist Webb also hochkomplex, was auch den Transport ins All wesentlich aufwändiger macht als bei seinem Vorgänger: Hubble passte noch problemlos in den Stauraum eines Spaceshuttles, doch für den Flug zum Lagrange-Punkt muss Webb auf die Spitze einer Rakete passen.

Nasa/Desiree Stover

Der Spiegel des James-Webb-Weltraumteleskops besteht aus 18 Elementen und ist etwa 25 Quadratmeter gross.

Der heisseste Moment der Mission ist damit mit dem Raketenstart Mitte Dezember noch nicht überstanden. Im folgenden Monat durchläuft Webb etwa fünfzig Arbeitsschritte: Erst werden die Solarzellen ausgeklappt, dann die Antenne, dann die Sonnenschilde. Zuletzt werden die 18 Elemente des gewaltigen Spiegels mikrometergenau ausgerichtet.

Schlägt auch nur ein einziger Schritt fehl, kann das die ganze Mission dauerhaft beeinträchtigen. Dass das nicht einmal so unwahrscheinlich ist, zeigte sich zuletzt Mitte Oktober, als die Raumsonde Lucy auf den Weg zum Jupiter geschickt wurde. Kurz nach dem Start stellte sich heraus, dass sich eines der beiden Solarpaneele nicht richtig entfaltet hatte. Nun muss die Raumsonde auf ihrer gesamten mehrjährigen Mission mit weniger Energie auskommen als vorgesehen. Wie bei Lucy wäre auch bei Webb eine Reparatur unmöglich: Derzeit kann keine Raumfähre Menschen bis zum Lagrange-Punkt bringen. Ehe Webb die ersten Bilder zur Erde sendet, müssen die Beteiligten also noch ein paar Monate schwitzen.