James-Webb-Weltraumteleskop 2022: Jahresrückblick in Bildern
Seit fast einem Jahr ist das James-Webb-Weltraumteleskop unser Auge im Weltraum. Sein Blick in unendliche Weiten ist auch ein Blick zurück: In die Entstehungszeit des Universums.
Alles begann im Jahr 1996: Damals schlossen sich die Weltraumagenturen NASA, ESA und CSA zusammen, um mit der Entwicklung eines neuen Auges im Weltall zu beginnen. Am 25. Dezember 2021 startete eine Ariane-Trägerrakete vom Raumfahrtzentrum in Französisch-Guayana. Ihre Fracht: das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST). Nach mehr als 20 Jahren Bauzeit und einer fast 30-tägigen Reise erreichte es am 24. Januar 2022 seine Umlaufbahn am Lagrange-Punkt L2 in 1,5 Millionen Kilometer Entfernung zur Erde.
Die Mission des JWST, die zunächst auf fünf bis zehn Jahre angelegt ist, umfasst die Suche nach den ersten Galaxien, die nach dem Urknall vor 13,5 Milliarden Jahren entstanden sind. Außerdem soll es Informationen zu der Entstehung und Entwicklung von Galaxien, Schwarzen Löchern, Sternen und Planetensystemen liefern, die Strukturbildungsprozesse im Universum untersuchen und nicht zuletzt Exoplaneten erforschen. Im Vergleich zu seinem Vorgänger, dem Hubble-Teleskop, reagiert das JWST dank seiner hochsensiblen Infrarotkameras bis zu hundertmal empfindlicher auf elektromagnetische Wellen. Dadurch werden Aufnahmen des Weltalls von ungeahntem Detailreichtum möglich – und eine so präzise Beobachtung der Vorgänge in Sternentstehungsgebieten wie nie zuvor.
Traumstart: Am 25. Dezember 2021 beginnt das James-Webb-Weltraumteleskop seine Mission.
„Es hat Jahrzehnte der Tatkraft und Beharrlichkeit gebraucht, um das zu erreichen, und ich bin ungemein stolz auf das Webb-Team“, sagte Thomas Zurbuchen, stellvertretender Administrator bei der NASA bei der Präsentation der ersten Bilder im Juli 2022. Diese würden zeigen, „wie viel wir erreichen können, wenn wir uns für das gemeinsame Ziel zusammenschließen, die kosmischen Rätsel zu lösen, die uns alle miteinander verbinden.“
Es bleibt spannend, zu welchen Erkenntnissen das JWST uns in den nächsten Jahren verhelfen und wie es unser Verständnis vom Universum und unserem Platz darin beeinflussen wird. In den ersten Monaten seit seiner Inbetriebnahme hat das JWST bereits einige bahnbrechende Einblicke in den Kosmos gewährt: spektakuläre Aufnahmen von weit entfernten Galaxien, Exoplaneten und den Kinderstuben der Sterne. Bilder, die Großes erhoffen lassen.
Chaos in der Cartwheel-Galaxie
Daten des Mid-Infrared-Instrument (MIRI) des JWST zeigen, dass einige Regionen in der Cartwheel-Galaxie reich an Silikatstaub, Kohlenwasserstoffen und anderen chemischen Verbindungen sind. Diese Elemente bilden spiralförmige Speichen und damit sozusagen das Skelett der Galaxie.
Die Cartwheel-Galaxie befindet sich im 500 Millionen Lichtjahre entfernten Sternbild Sculptor und verdankt ihren Namen ihrem Aussehen, das an ein Wagenrad erinnert. Vermutlich war sie einst eine normale Spiralgalaxie – ähnlich der Milchstraße – die in Hochgeschwindigkeit mit einer kleineren Galaxie kollidiert ist und dadurch ihre Form verändert hat. Ihr heller Kern besteht aus enormen Mengen heißen Staubs und ist Heimat gigantischer Haufen aus jungen Sternen. In ihrem äußeren Ring, der eine Ausdehnung von rund 145.000 Lichtjahren hat, herrscht ein großes Durcheinander aus Supernovae und Sterngeburten.
Zwar wurde die seltene Ringgalaxie schon von verschiedenen Teleskopen untersucht, doch erst die Infrarotinstrumente des JWST erlauben einen wirklich detaillierten Blick in das Chaos. Die Aufnahmen, die im August 2022 entstanden sind, zeigen die Cartwheel-Galaxie und zwei kleinere Begleitgalaxien vor dem Hintergrund vieler anderer Galaxien. Bei den einzelnen blauen Punkten handelt es sich um Sterne oder Sternentstehungsgebiete.
Detailliert wie nie: Neue Bilder vom Jupiter
Die aktuellste und bisher detaillierteste Aufnahme des Jupiters ist eine Kompositaufnahme, die aus verschiedenen Bildern der NIRCam des JWST zusammengesetzt wurde.
Als größter Planet unseres Sonnensystems ist der Jupiter kaum zu übersehen – und doch gibt es hier noch viel zu entdecken. Grund genug für die NASA, im August 2022 mithilfe des JWST neue Aufnahmen des Gasriesen zu erstellen.
„Um ehrlich zu sein, hatten wir nicht erwartet, dass die Bilder so gut sein würden", sagt Imke de Pater, Planetenastronomin an der University of California, Berkeley. „Es ist bemerkenswert, in welchem Detail die Ringe des Jupiters, winzige Satelliten und sogar Galaxien zu erkennen sind.“
Die Bilder der Nahinfrarotkamera (NIRCam) des JWST zeigen unter anderem die Polarlichter über dem Nord- und Südpol des Jupiters. Bei dem auffälligen hellen Fleck handelt es sich um einen Sturm, der so groß ist, dass er die Erde verschlucken könnte. Am äußersten linken Rand der Ringe ist als winziger weißer Punkt einer der Monde des Gasriesen zu erkennen.
Die Atmosphäre von Exoplaneten
WASP-39b ist ein heißer Gasriese, der einen 700 Lichtjahre entfernten sonnenähnlichen Stern relativ eng umkreist. Er wurde bereits im Jahr 2011 entdeckt und seitdem von verschiedenen Weltraumteleskopen – darunter Hubble und Spitzer – beobachtet.
Die Erforschung von Exoplaneten ist eine der Hauptaufgaben des JWST. Mithilfe des Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) des Weltraumteleskops gelang im August 2022 der erste große Erfolg der Mission: Ein kleiner Ausschlag zwischen 4,1 und 4,6 Mikrometer in dem Spektrum von WASP-39 lieferte den ersten klaren Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Die Veröffentlichung der Analyseergebnisse durch die NASA im November 2022 bot so detaillierte Einblicke in die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre eines solchen Planeten wie nie zuvor.
Verschiedene Gase absorbieren unterschiedliche Kombinationen von Farben im Licht. Die Analyse des Wellenlängenspektrums ermöglichte es den Wissenschaftlern, genau zu bestimmen, woraus die Atmosphäre besteht. „Durch die Messung des Kohlendioxid-Merkmals können wir feststellen, wie viel festes und wie viel gasförmiges Material an der Bildung des Planeten beteiligt war“, erklärt Mike Line, Planetologe an der Arizona State University. „In den kommenden zehn Jahren wird das JWST solche Messungen bei einer Vielzahl von Planeten durchführen und damit Einblicke in ihre Entstehungsgeschichte und die Einzigartigkeit unseres eigenen Sonnensystems gewähren.“
Junge Sterne im Tarantelnebel
Auf der Aufnahme der NIRCam des JWST ist in der Mitte von 30 Doradus ein Hohlraum zu erkennen, der durch die heftige Strahlung eines Haufens massereicher junger Sterne entstanden ist. Sie schimmern auf dem Bild blassblau. Die dichtesten Bereiche des Nebels bilden Säulen, in denen Sterne geboren werden.
In 161.000 Lichtjahren Entfernung zur Erde befindet sich in der Großen Magellanschen Wolke ein heller Emissionsnebel mit dem Namen 30 Doradus – eines der größten bekannten Sternentstehungsgebiete der milchstraßennahen Galaxien. Aufgrund seines enormen Durchmessers von etwa 2.000 Lichtjahren und seiner enormen Strahlkraft kann das kosmische Kinderzimmer auch mit kleineren Fernrohren beobachtet werden. Das Bild, das das JWST im September von dem sogenannten Tarantelnebel machte, zeigt neben vielen jungen Sternen auch weit entfernte Hintergrundgalaxien. Außerdem lieferte das Teleskop detaillierte Informationen zu Struktur und Zusammensetzung der Gase und des Staubs, aus denen der Nebel besteht.
Der Tarantelnebel ist für Astronomen von großem Interesse, weil er chemisch ähnlich aufgebaut ist wie die gigantischen Sternentstehungsgebiete der „kosmischen Mittagszeit“, als das Universum nur wenige Milliarden Jahre alt und die Sternentstehung auf ihrem Höhepunkt war. Durch die Beobachtung der Sternentstehung im Tarantelnebel können Wissenschaftler also die Prozesse nachvollziehen, die zu jener Zeit abliefen.
Ringe des Neptun: Wiedersehen nach 30 Jahren
Der Neptun ist im Vergleich zu den Gasriesen Jupiter und Saturn reicher an Elementen, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium. Auf Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops ist er deswegen blau gefärbt. Die NIRCam des JWT bildet Objekte im nahen Infrarotbereich von 0,6 bis 5 Mikrometer, sodass der Planet kaum noch blau erscheint.
Die Ringe des Neptuns wurden erstmals im Jahr 1989 von der Voyager 2 im Vorbeiflug beobachtet. Seitdem entzogen sie sich unserem Blick – bis es im September 2022 dem JWST gelang, sie im Bild festzuhalten. Neben mehreren hellen, schmalen Ringen sind darauf auch schwächere Staubbänder des Eisriesen deutlich zu erkennen.
„Es ist drei Jahrzehnte her, dass wir diese schwachen, staubigen Ringe das letzte Mal gesehen haben. Jetzt sehen wir sie zum ersten Mal im Infrarotbereich“, sagt Heidi Hammel, Expertin für das Neptunsystem und interdisziplinäre Wissenschaftlerin bei Webb.
Am oberen Bildrand ist Neptuns großer Mond Triton als strahlender Lichtpunkt zu erkennen. Seinen Planeten umkreist Triton auf einer ungewöhnlichen, rückwärts gerichteten Umlaufbahn, was Astronomen vermuten lässt, dass er ursprünglich ein Objekt aus dem Kuipergürtel war, das von Neptun gravitativ eingefangen wurde. Aufschluss über diese und andere Geheimnisse von Neptun und Triton sollen weitere Webb-Studien bringen, die für das Jahr 2023 geplant sind.
Die Staubringe von Wolf-Rayet 140
Durchquert ein Wolf-Rayet-Stern ein Gebiet, türmt sich von ihm mitgerissenes Material auf und verdichtet sich so stark, dass darin neue Sterne entstehen können. Es wird vermutet, dass unsere Sonne auf diese Weise entstanden ist und dass auch die Staubringe von WR 140 Baumaterial für zukünftige Sterne und Planeten liefern könnten.
Wolf-Rayet-Sterne (WR) sind freigelegte Kerne von ehemaligen Sternen, die ursprünglich 25-mal mehr Masse hatten als unsere Sonne und kurz vor dem Ende ihres Lebens stehen. Nur etwa 0,1 Prozent aller bekannten Sterne werden diesem Typ zugeordnet. Eine dieser Raritäten ist das Doppelsternsystem WR 140, das sich in einer Entfernung von 5.000 Lichtjahren zur Erde befindet und im Oktober 2022 in den Fokus des JWST rückte.
Auf der MIRI-Aufnahme ist zu erkennen, dass von dem Sternenpaar mindestens 17 konzentrische Staubringe ausgehen – etwas, das bisher bei keinem anderen WR-System beobachtet wurde. Die Ringe entstanden, als die beiden Sterne sich einander näherten und ihre Sternwinde aufeinandertrafen. Die Umlaufbahnen der Sterne bringen sie etwa alle acht Jahre zusammen. Aus den Staubringen lässt sich also ähnlich wie aus Baumringen der Lauf der Zeit ablesen.
„Wir sehen über ein Jahrhundert der Staubproduktion in diesem System“, sagt Ryan Lau, Astronom am NOIRLab der NASA. Erst die Leistungsfähigkeit des JWST hätte eine solche Aufnahme möglich gemacht. „Früher konnten wir mit bodengebundenen Teleskopen nur zwei Staubringe sehen“, sagt er.
Neuer Blick auf die Säulen der Schöpfung
Verglichen mit der Aufnahme, die das Hubble-Teleskop im Jahr 2014 von den sogenannten Säulen der Schöpfung machte (links), sind auf dem Bild der NIRCam des JWST viel mehr Details zu erkennen.
Die Säulen der Schöpfung, eine Formation aus interstellarer Materie, die sich inmitten des 6.500 Lichtjahre entfernten Adlernebels befindet, wurde erstmals im Jahr 1995 von Hubble beobachtet. Im Oktober 2022 richtete das JWST seinen Blick auf das geheimnisvolle Gebilde, in dem, in Gas und Staub gehüllt, im Laufe der Jahrtausende unzählige neue Sterne entstanden sind.
Die neuen Aufnahmen zeigen den Kreißsaal der Sterne so detailreich wie nie zuvor. Anhand der hochaufgelösten Daten des JWST ist eine präzisere Gas- und Staubmessung möglich, deren Analyse das dreidimensionale Bild des Gebiets weiter vervollständigt und neuen Aufschluss darüber gibt, wie Sterne entstehen.
Kosmische Sanduhr: Protostern in L1527
Die Dunkelwolke L1527 wird von einem Protostern beleuchtet. In den blauen Bereichen der Aufnahme sind die Staubschichten am dünnsten, in den orangefarbenen besonders dicht.
Dunkelwolken bestehen aus großen Mengen interstellarer Materie und absorbieren das Licht von hinter ihnen liegenden Objekten. Im November 2022 gelang dem JWST eine Infrarotaufnahme der Dunkelwolke L1527 im Taurus-Sternbildungsgebiet. In ihrer abgebildeten Form erinnert die Wolke an eine Sanduhr. Ein Blick auf ihren Hals lohnt sich: Hier sitzt, eingebettet in Gas und Staub und umgeben von einer protoplanetaren Scheibe, ein etwa 100.000 Jahre alter Protostern. Noch befindet er sich in einem frühen Wachstumsstadium und verfügt über etwa 20 bis 40 Prozent der Masse unserer Sonne.
Sanduhrförmig erscheint L1527, weil die Hohlräume des Nebels durch das Infrarotlicht des Protosterns beleuchtet werden – ideale Voraussetzungen für die NIRCam des JWST. Die Hohlräume entstehen, wenn Material vom Protostern ausgestoßen wird und mit Materie in der Umgebung kollidiert.
Titan: Wolken auf dem Saturn-Mond
Zwei Aufnahmen des Saturnmondes Titan, die im November 2022 mit dem NIRCam-Instrument des JWST gemacht wurden. Bei den hellen Flecken handelt es sich um Wolken in der nördlichen Hemisphäre, Kraken Mare ist vermutlich ein Methansee.
82 Monde des Saturns sind bekannt – und der Titan ist mit Abstand der größte von ihnen. Er ist außerdem neben der Erde der einzige bekannte Himmelskörper in unserem Sonnensystem, auf dem es Flüsse und Meere gibt – allerdings bestehen diese nicht aus Wasser, sondern aus flüssigem Kohlenwasserstoff.
Im Dezember 2022 machte die NIRCam des JWST an zwei aufeinanderfolgenden Tagen Aufnahmen von dem außergewöhnlichen Mond – ursprünglich um die Verteilung des atmosphärischen Dunsts zu kartieren und darin enthaltene Gase zu identifizieren. Beim Vergleich der Bilder fielen helle, wandernde Flecken auf, bei denen es sich den Astronomen zufolge um über den Titan dahinziehende Wolken handelt. Weitere Untersuchungen sollen folgen, von denen sich die Wissenschaftler unter anderem eine Antwort auf die Frage erhoffen, warum der Titan als einziger Mond unseres Sonnensystems eine dichte Atmosphäre hat.
