JWST: Ein Weihnachtsgeschenk für Astronom*innen?
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Am 25. Dezember 2021 um 13:20 Uhr MEZ soll es losgehen: dann soll das JWST, das James Webb Space Telescope, an Bord einer ESA-Ariane 5-Rakete starten. Hunderte Astronom*innen werden vor den Bildschirmen sitzen – und einige wenige werden direkt am Startplatz in Kourou zuschauen – und die Daumen drücken. Denn an diesem Start hängt vieles. Nicht nur viel Vorbereitungsarbeit, sondern auch viele Planungen für ganz neuartige astronomische Beobachtungen.
Rückblende: Start des Herschel Space Observatory
Rückblende: Viereinhalb Monate, nachdem ich meinen derzeitigen Job am Haus der Astronomie und am Max-Planck-Institut für Astronomie antrat, genauer: am 14. Mai 2009, versammelte sich so gut wie die gesamte Belegschaft des Max-Planck-Instituts im Hörsaal des Instituts. Um 15:12 Uhr dann die letzten Worte des Countdowns: Quatre, trois, deux, un, top. Gut zu wissen, auch für den anstehenden Start des JWST am ersten Weihnachtstag: bei diesen Countdowns ist der Zeitpunkt Null der Startzeitpunkt der Raketenmotoren. Das Abheben, die Décollage, findet erst ca. 8 Sekunden später statt. (Beim Space-Shuttle beispielsweise anders, da zündeten die Motoren schon bei Countdown-Wert 6, und bei Zero kam dann gleich der Liftoff.) Jedenfalls sahen wir dann gemeinsam das hier. Das sollte beim JWST morgen recht ähnlich aussehen:
Für mich war das damals zwar spannend, aber nicht weltbewegend. Ich war ja ganz neu am Institut, wusste zwar im Prinzip, dass zum Beispiel die MPIA-Infrarot-Weltraumastronomiegruppe dem Herschel Space Observatory, das da gestartet wurde, maßgeblich zugearbeitet hatte – ein Ingenieursmodell einer mechanischen Vorrichtung, die dafür gebaut wurde, befindet sich jetzt bei uns im Haus der Astronomie und wird bei entsprechenden Workshops vorgeführt – aber das war eher abstraktes Wissen. OK, ein Start, aber so mitgefiebert wie die Kolleg*innen, die die vorangehenden Jahre mit der Vorbereitung jener Mission verbracht hatten – und von denen einige im Anschluss auch nötige Kalibrierungsprogramme würden durchführen helfen – habe ich damals natürlich nicht.
Nächste Forschungsschritte mit dem JWST
Das ist beim JWST und dem bevorstehenden Start anders. Ich bin zwar im Gegensatz zu vielen Kolleg*innen am Max-Planck-Institut für Astronomie, die am JWST mitgearbeitet haben oder darauf warten, dass es ihre Beobachtungsprogramme durchführt, nach wie vor ein Beobachter von außen. Aber im Gegensatz zu damals geht es jetzt um eine Mission, die mich die letzten zehn Jahre fast ständig begleitet hat.
Ein Beispiel: Ob bei den regulären Kolloquiumsvorträgen oder bei den Vorträgen als Teil der Begutachtungen, die ein Max-Planck-Institut alle drei Jahre durchleuchten, sehr häufig war im letzten Teil, wo es darum ging, welche nächsten Schritte die gerade im Vortrag beschriebene Forschung dann fortsetzen könnten, das JWST mit von der Partie – ob bei der Abbildung von heißen Jupitern oder bei der Beobachtung sehr junger Galaxien im frühen Universum.
Wichtig ist dabei, dass das JWST eben kein eins-zu-eins-Nachfolger des Weltraumteleskops Hubble ist. Hubble war für ultraviolettes Licht, sichtbares Licht und Nahinfrarotlicht ausgelegt. JWST fängt überhaupt erst im orangenen Teil des sichtbaren Lichts an, kann dann aber bis zu größeren Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich messen. Für mittleres Infrarot sind andere Detektorchips nötig, und die Instrumente sollten tunlichst gekühlt sein. Je größer die Wellenlängen, desto schlechter die Auflösung des Teleskops, also die Fähigkeit, kleine Details auseinanderzuhalten. JWST kann im Infrarotbereich bis zu zehn Mal längere Wellenlängen als das Hubble aufnehmen. Sein Spiegeldurchmesser ist mit 6,5 Metern immerhin zweieinhalb Mal so groß wie beim Hubble. Ganz kann das den Auflösungsnachteil bei den ganz langen Wellenlängen nicht ausgleichen, aber es ist immer noch deutlich mehr, als bis dahin möglich war – und im Nahinfraroten wird dann natürlich auch das Auflösungsvermögen des Hubble, das ja “nur” einen 2.4-Meter-Spiegel hat, deutlich übertroffen. Zweitens ist natürlich das Lichtsammelvermögen eines 6,5-Meter-Spiegels ungleich größer. Damit verbessert sich das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis, sprich: lichtschwächere Strukturen und Kontraste können besser nachgewiesen werden. Insgesamt also kein Wunder, wenn JWST so oft als geeigneter nächster Schritt für Forschungen genannt wurde, die ohne dieses Teleskop nicht möglich wären.
Erste JWST-Beobachtungszeitvergabe
Außerdem habe ich mitgefiebert, als die erste allgemeine Beobachtungszeitvergabe für das JWST anstand. Am 30. März 2021 war es soweit, und wer auf Twitter beobachtenden Astronom*innen folgte, konnte direkt mitbekommen, wem was bewilligt worden war, oder eben (erst einmal) nicht. Ein Großteil der Beobachtungszeit für solche Observatorien wird ja, ob auf dem Boden oder im Weltraum, in einem Wettbewerbsverfahren vergeben. Dort müssen die Antragssteller*innen argumentieren, warum gerade ihr Projekt die beantragte Menge an Beobachtungszeit verdient. Beobachtungszeit ist dabei sehr knapp; in der ersten allgemeinen Ausschreibungsrunde für das JWST wurden Beobachtungen mit insgesamt 4,1 Mal mehr Gesamtzeit beantragt, als in jenem Zyklus überhaupt verfügbar war.
Da war natürlich spannend zu sehen, welche Programme erfolgreich waren. Auch am Max-Planck-Institut für Astronomie gab es Anlass zur Freude. Das COSMOS-Web-Programm beispielsweise, an dem mein Kollege Knud Jahnke beteiligt ist, wurde bewilligt; es ist das größte Beobachtungsprogramm im ersten Jahr des JWST-Betriebs und soll in einem Feld, das am Himmel drei Mal so groß ist wie der Vollmond, eine halbe Million Galaxien im Nahinfraroten beobachten und immerhin 32.000 Galaxien im mittleren Infrarotbereich. Die Forscher*innen erhoffen sich aus diesen Daten Bausteine zu einem Gesamtbild der Galaxienevolution in unserem Kosmos.
Auch Laura Kreidberg, seit Mai 2020 die dritte Direktorin an unserem Institut, war erfolgreich. Sie wird insbesondere am Exoplanetensystem von Trappist-1 versuchen, eine Atmosphäre bei einem felsigen (und in diesem Sinne erdähnlichen) Planeten zu finden, nämlich bei Trappist-1c. Aus allgemeinem Interesse an Planetenatmosphären, aber natürlich auch als Teil des langfristigen Projekts, auf solch einem anderen Planeten irgendwann einmal Spuren von Leben nachzuweisen. Hier erklärt sie das (auf Englisch); Bonus: es gibt schöne Aufnahmen vom Haus der Astronomie in diesem Film:
Eine lange und variable Vorlaufzeit
Das JWST hat eine lange Zeit von verschobenen Startterminen. Ich hatte gerade eben nochmal einen Artikel in der populärwissenschaftlichen Zeitschrift Sterne und Weltraum in der Hand, in der ein Starttermin im Jahre 2013 avisiert wird. Das gehörte eben auch zu den letzten zehn Jahren: immer wieder Verschiebungen. Das ging soweit, dass Randall Munroe für seinen Comic xkcd im Sommer 2018 ein Diagramm erstellt hat, in dem er das sich immer wieder ändernde geplante Startdatum und das Datum, zu dem eben jenes Startdatum verkündet wurde, gegeneinander aufgetragen hat. Seinem Modell nach sollte die Gerade, die sich dabei ergab, auf einen Starttermin Ende 2026 zulaufen.
Auch wenn es zwischendurch immer wieder ein paar Verzögerungen gab – zuletzt vom 20. Dezember 2021 auf Heiligabend, dann auf den 25. Dezember, der zu dem Zeitpunkt, da ich dies schreibe, nach wie vor der avisierte Starttermin ist: Immerhin ist das JWST jetzt auf der Rakete installiert und auf seiner Startrampe. Da steht sie jetzt:
Da ist nicht mehr viel Spielraum für weitere Verschiebungen.
Ein Stück Heidelberg im JWST
Last but not least befindet sich auch mehr als ein bei uns am Institut konstruiertes Stück Hardware an Bord des JWST. Dass wissenschaftliche Institute eigene Spezialisierungen im Instrumentenbau haben, ist ja nicht ungewöhnlich. Das Max-Planck-Institut für Astronomie ist besonders gut darin, Mechanik zu bauen, die auch unter Weltraumbedingungen funktioniert. Weltraumbedingungen heißt insbesondere: Es ist so kalt, dass Schmierstoffe nicht mehr schmieren, sondern wie Schmirgelpapier wirken. Unter solchen Bedingungen muss man Mechanismen ganz anders aufbauen als bei irdischen Anwendungen. Die Raste bei diesem Filterrad beispielsweise, die sicherstellt, dass das Rad jede seiner möglichen Positionen mit hoher Genauigkeit einnimmt, benutzt für die Drehbarkeit nicht ein herkömmliches Gelenk, sondern eine Art Kreuz-Metallfeder – ein verdrillbares Bauteil, bei dem eben keine Metallflächen aneinander vorbei gleiten:
Was das Video, das ich da aufgenommen habe, zeigt, ist allerdings nicht das Original – das ist ja längst mit dem JWST auf Reisen, die Videoaufnahmen sind von letzter Woche – sondern das sogenannte Ingenieursmodell, das Engineering Model. Das wurde während des Entwicklungsprozesses genutzt, und es wird auch jetzt noch unter einer Schutzatmosphäre aufbewahrt (aus der Oliver Krause, Leiter der Forschungsgruppe IR-Weltraumastronomie es für die Aufnahmen dann freundlicherweise herausgenommen hat), weil es eine weitere Nutzungsmöglichkeit hat, über die man allerdings gar nicht so richtig nachdenken möchte: Falls doch etwas katastrophal schiefgehen sollte mit dem JWST würden diese und andere Ingenieursmodelle gebraucht, um ein Ersatz-JWST bauen zu können.
Ein komplizierter Entfaltungsprozess
Wo das Wort “schiefgehen” schon gefallen ist: So ganz wohl ist den Astronom*innen bei diesem Start natürlich nicht. Zwar hat man an Vorsicht walten lassen was irgend ging, aber was insbesondere nach dem Start ansteht, ist ein doch recht komplizierter Prozess. Derzeit sitzt das JWST origami-ähnlich zusammengefaltet auf seiner Rakete. Nach dem Start kommt natürlich erst einmal das nötigste: Solarzellen für die Stromversorgung, eine Antenne für die Kommunikation mit der Erde. Dann entfalten bzw. entrollen sich die verschiedenen Schichten des tennisplatzgroßen, mehrlagigen Sonnenschutzschilds. Den wird das JWST, wenn es seine Beobachtungen aufnimmt, der Erde und gleichzeitig der Sonne zudrehen – an dem besonderen Ort L2, an dem es stationiert ist, rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, liegen Erde und Sonne definitionsgemäß vom Teleskop aus gesehen immer in derselben Richtung. Später entfaltet sich der Spiegel und klappt der kleine Sekundärspiegel herunter. Und dann müssen all jene Spiegelsegmente erst einmal so zueinander angeordnet werden, dass sie wie ein einzelner Teleskopspiegel addieren. Das dauert; Heidi Hammel hat die Abfolge hier sehr schön beschrieben. Und die Animationen dazu geben wenigstens einen oberflächlichen Eindruck von dem, was da alles passieren muss:
Da kann einem schon ganz anders werden. Ein Trost: Wenn man mit den entsprechenden Verantwortlichen spricht, dann kann man hören, dass Northrop Grumman deren Bedenken mehr als einmal mit der Versicherung zerstreut habe, das sei alles nichts Neues, das hätte man schon mehrmals gemacht. Gemeint ist dabei offenbar: Das US-Militär oder mindestens ein US-Geheimdienst haben schon längst Teleskope dieser Größe in Umlaufbahnen, in dem Falle dann natürlich für die Erdbeobachtung ausgelegt. Immerhin.
Es wird jedenfalls spannend, und bleibt dann auch noch spannend. Und diesmal werde ich beim Start voraussichtlich deutlich nervöser sein als 2009 bei Herschel, denn JWST hat mich über die letzten zehn Jahre eben in vielerlei Hinsicht begleitet.
Ob wirklich alles so funktioniert wie geplant, wissen wir erst rund ein halbes Jahr nach dem Start, wenn die ersten Testbilder kommen. Jetzt können wir erst einmal morgen dem Start zusehen und dann die ersten weiteren Schritte verfolgen – und dafür die Daumen drücken. Und ab in einem halben Jahr kommt dann hoffentlich viel spannende Astronomie, von den Atmosphären von Exoplaneten bis hin zur Entstehung der ersten Galaxien!
Einmal werden wir noch wach 🙂
Oder auch: hier können wir’s dann anschauen:
In seiner 14tägigen Nacht kühlt sich ja der Mond bis -160° ab. Auf dem JWST ist es dauernd Nacht. Wie kalt wird es denn dort?
Die mehrfach abgeschattete Seite erreicht rund -230° Celsius. Die Gerätschaften im Inneren sind zum Teil noch deutlich weiter heruntergekühlt auf rund -265° C.
wenn es nicht klappt, bleibt und noch hubble
Wie im Text angedeutet: Um mit der Forschung wirklich weiterzukommen reicht Hubble in vielerlei Hinsicht nicht mehr – Auflösung, Lichtsammelvermögen, Wellenlängenbereich. Und Hubble beginnt ja leider schon etwas zu schwächeln; ist wirklich die Frage, wie lange Hubble noch funktioniert.
Mir scheint, das James Webb Space Telescope wurde überoptimiert und dadurch zu aufwendig, unsicher und teuer. Mit überoptimiert meine ich, dass durch Faltung versucht wurde, mehr Spiegelfläche herauszuholen als in eine bereits existierende Rakete hineinpasste. Das machte das James Webb Teleskop mindestens 6 Mal teurer als es das Extremely Large Telescope sein wird und es verzögerte den Start um Jahre.
Das war und ist falsch. Es würde nur Sinn machen für ein Teleskop dass Jahrzehnte im Einsatz bleibt – ganz ähnlich wie das Hubble Space Teleskop. Doch die Lebenszeit des James Webb Telescopes ist auf etwa 10 Jahre beschränkt. Nach dieser Zeit geht ihm der Treibstoff aus.
Viel gescheiter wäre es in meinen Augen gewesen ein Teleskop mit gleicher grundsätzlicher Technologie wie das Janes Webb Telescope zu bauen, aber es alle 10 Jahre durch ein neues, grösseres an die jeweilige Raketentechnologie angepasstes zu ersetzen. Wenn jedes dieser James-Webb Exemplare 2 Milliarden gekostet hätte, wäre ein Betrieb über 50 Jahre zu den gleichen Kosten möglich geworden wie für das jetzt gestartete Unikat.
Diese Aussagen halte ich aus mehreren Gründen für zu naiv. Der Raketentechnologie jeweils rund 10 Jahre hinterherzuhinken (denn so ein Weltraumteleskop muss ja, z.B. von den Schwingungsmoden her, sinnvollerweise auf einen spezifischen Launcher angepasst zu werden) ist eine sehr lange Verzögerung. Und Weltraumteleskope werden immer deutlich teurer bleiben als bodengebundene – JWST war ziemlich genau so teuer wie damals das Hubble-Teleskop, wenn man inflationsbereinigt auf heutige Dollars umrechnet. Außerdem unterschätzen Sie, glaube ich, die Kosten für Weltraumteleskope insgesamt. Als Beispiel: Das Nancy Grace Roman Space Telescope hat die klappbare Spiegeltechnologie, an der sie sich hier aufhängen, nicht, und kommt trotzdem auf 4,3 Milliarden Dollar Gesamtkosten. Und was Sie vorschlagen sind ja eben nicht “James-Webb Exemplare” im Sinne von Klonen/Kopien des ursprünglichen Designs, sondern sie wollen ja die Größe jeweils anpassen – das dürfte dann jeweils ein einigermaßen komplettes Redesign erfordern. Insofern sieht es für mich so aus, als passte Ihre Argumentation in der jetzigen Form hinten und vorne nicht, sorry.
Es stimmt wohl, dass 2 Milliarden Dollar nie ausgereicht hätten, auch nicht für eine stark verkleinerte Version von JWST. Andererseits liest man im der Wikipedia: JWST has a history of major cost overruns . Insoweit reiht sich JWST in Projekte wie BER, Elbphilharmonie, Stuttgart 21, … ein, wenn man Deutschland als Vergleichsparameter nimmt oder aber in andere NASA-Projekte wie das Space Launch System. Diese Projekte sprengen/sprengten zudem nicht nur den vorgegebenen Kostenrahmen, sondern bringen auch viele Jahre Verzögerung mit sich.
Auch das scheint mir eine zu simple Gleichsetzung zu sein. Ein Teil des Cost Overruns des JWST war zweifellos eine Folge von Missmanagement. Aber ein weiterer Teil ist schlicht dem Umstand geschuldet, dass es um eine Entwicklung an der Grenze des technisch Umsetzbaren ging und geht. Da auf Nummer sicher zu gehen und nicht über das hinauszugehen, was man schon vorher ausprobiert hatte, mag zwar die Buchhalter zufrieden stimmen, aber man verpasst eben auch die Chance auf technische Neu- und Weiterentwicklungen. Und lässt sich den wichtigen gesellschaftlichen Nutzen entgehen, diese Art von Forschungsgeräte-Entwicklung als Treiber für technologische Innovationen zu nutzen. Mit diesem Aspekt – dem Unvorhergesehenen bei wirklich neuartiger Forschung – geht unsere Gesellschaft aber ganz allgemein nicht besonders gut um. Siehe wissenschaftliche Antragsverfahren, die auf “Sie müssen in Ihrer Forschung etwas ganz Neues und noch nie Dagewesenes machen, und, ach ja: in Anhang A schlüsseln Sie bitte monatsweise auf, wie das im Einzelnen vor sich gehen wird”. Absurd.
g sei eine Gerade, die durch den Sonnenmittelpunkt und L2 geht. In welchem Winkel schneidet dann g die Bahnebene der Umlaufbahn von JWST?
Oder genauer gefragt. Welchen Normalenvektor hätte diese Bahnebene? Und wäre die Bahn kreisförmig? Wenn ja, dann wäre mal wieder eine Geogebra-animation fällig.
So ein Halo-Orbit steht normalerweise senkrecht zur Verbindungslinie
der massereichen Objekte, und er ist normalerweise kreisförmig.
Dieses Aussehen gilt nur, wenn man ein mit den massereichen Objekten
mit-rotierendes Bezugssystem einnimmt.
Text mit Bild:
https://de.wikipedia.org/wiki/Halo-Orbit
Eine kleine, aber aussagekräftige Anekdote zum Raketenstart von JWST wie es im Video Watch NASA & ESA launch the James Webb Space Telescope!! zu erleben ist.
Bei Minute 7:20 sagt der Gründer von The everday astronaut: „Ich weiss nicht einmal,ob wir je jemals etwas zum L2 geschickt haben. Sicher nicht etwas so grosses. Und sicher nicht etwas so Wichtiges.“ Das machte selbst mich stutzig, denn dass Gaia am L2 stationiert ist, wusste ich. Dabei machte der Gründer von The everday Astronaut schon Videos, in denen er Details über jede jemals geflogene russisch/sowjetische Rakete auftischte. Doch scheinbar hatte er das Herschel-Teleskop, das Planck-Teleskop und Gaia nicht im Gedächtnis. Nun, waren ja alles ESA-Missionen und vielleicht meinte er mit „haben WIR jemals etwas zum L2 geschickt“ ja die USA und die NASA, nicht aber die Europäer. Wobei selbst die NASA mit der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) eine recht wichtige Sonde zum L2 geschickt hat.
Was er bei dem Zitatausschnitt anspricht ist der “Earth-Moon L2”. Und dorthin schicken die Raumfahrtbehörden soweit ich weiß in der Tat nichts – ich wüsste auch nicht recht warum: Beim Erde-Sonne-L2 ist eine wichtige Eigenschaft ja, dass man die beiden Störquellen (Erde und Sonne halt) in derselben Richtung hat, und deswegen vergleichsweise einfach abschirmen kann.
Stimmt, es war der Erd-Mond L2 über den er sprach. Allerdings vollkommen ausserhalb eines sinnvollen Zusammenhangs. Nun, er hat ja nach eigenen Angaben vor dem Start kaum geschlafen, was dann diese didaktisch unglückliche Abschweifung erklärt.
Dass Sie da jetzt gerade weiter über ihn herziehen, während Sie den Umstand, dass Sie das Zitat falsch wiedergegeben und darauf Ihre Kritik im besagten Kommentar aufgebaut haben, unter den Tisch fallen lassen, ist allerdings auch nur bedingt souverän. :-/
Gibt es eigentlich ein Duplikat des JWST,
für den Fall, dass irgend etwas schief geht?
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Auch im Erd-Mond L2 bewegt sich einiges:
https://de.wikipedia.org/wiki/Lagrange-Punkte#Lagrange-Punkt_L2
Es gibt Ingenieursmodelle für die verschiedenen Komponenten der Instrumente, aber kein echtes Duplikat.