Ein Blick in die Vergangenheit des Universums, die Entstehung neuer Sterne und die Atmosphären ferner Planeten: Das James-Webb-Weltraumteleskop eröffnet uns Möglichkeiten, die bis vor wenigen Jahren kaum vorstellbar waren. Auf dem Praktischen Astronomischen Samstag 2024 habe ich das Teleskop, seine außergewöhnliche Technik und die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse vorgestellt. Hier möchte ich die Inhalte meines Vortrags noch einmal aufgreifen und auch denjenigen zugänglich machen, die damals nicht dabei sein konnten.
Ein neues Kapitel der Astronomie
Im Jahr 2024 hatte ich die Gelegenheit, beim Praktischen Astronomischen Samstag (PAS) des Astronomischen Vereins der Grafschaft Bentheim einen Vortrag über das James-Webb-Weltraumteleskop zu halten. Zu diesem Zeitpunkt hatte das Teleskop bereits seine ersten spektakulären Aufnahmen geliefert und eindrucksvoll demonstriert, welche Möglichkeiten die neue Generation der Weltraumastronomie eröffnet.
Die Bilder zeigten Tausende zuvor kaum erkennbare Galaxien, gewaltige Sternentstehungsgebiete und die Überreste sterbender Sterne. Doch die eigentliche wissenschaftliche Revolution liegt nicht allein in den beeindruckenden Fotografien. Das Teleskop kann auch Licht analysieren, das uns Informationen über die chemische Zusammensetzung von Himmelskörpern und sogar über die Atmosphären von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems verrät. Um zu verstehen, warum das möglich ist, lohnt es sich, zunächst einen Blick auf die Technik und die außergewöhnliche Reise dieses Observatoriums zu werfen.
Warum brauchen wir ein neues Weltraumteleskop?
Seit seinem Start im Jahr 1990 hat das Hubble-Weltraumteleskop unser Verständnis des Universums maßgeblich geprägt. Seine Aufnahmen gehören zu den bekanntesten Bildern der modernen Astronomie. Mit James Webb steht uns nun ein Instrument zur Verfügung, das unsere Beobachtungsmöglichkeiten entscheidend erweitert. Ein wesentlicher Unterschied ist bereits auf den ersten Blick erkennbar: Der Hauptspiegel von James Webb hat einen Durchmesser von 6,5 Metern. Zum Vergleich: Hubbles Hauptspiegel misst 2,4 Meter. Die deutlich größere Spiegelfläche ermöglicht es Webb, wesentlich mehr Licht von extrem lichtschwachen Objekten zu sammeln.
Allerdings ist James Webb nicht einfach nur ein größeres Hubble-Teleskop. Während Hubble insbesondere ultraviolettes und sichtbares Licht sowie einen Teil des nahen Infrarotbereichs untersucht, wurde Webb vor allem für die Beobachtung im Infraroten entwickelt. Das hat einen entscheidenden wissenschaftlichen Hintergrund.
Infrarotlicht – das Unsichtbare sichtbar machen
Das menschliche Auge nimmt nur einen kleinen Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums wahr. Neben dem sichtbaren Licht existieren beispielsweise Ultraviolettstrahlung, Röntgenstrahlung, Radiowellen und Infrarotstrahlung. Jeder dieser Spektralbereiche verrät uns etwas anderes über das Universum. Die Erdatmosphäre lässt bestimmte Wellenlängen vergleichsweise gut passieren, während sie andere absorbiert. Deshalb ist es für viele astronomische Beobachtungen sinnvoll, Teleskope außerhalb der Atmosphäre zu stationieren. Für James Webb ist insbesondere die Infrarotstrahlung interessant – und zwar aus zwei Gründen.
Erstens können wir damit in die frühe Geschichte des Universums blicken. Das Licht sehr weit entfernter Galaxien benötigt Milliarden Jahre, um uns zu erreichen. Wir sehen diese Galaxien deshalb nicht so, wie sie heute aussehen, sondern so, wie sie zum Zeitpunkt der Aussendung ihres Lichts aussahen.
Hinzu kommt die Expansion des Universums. Während das Licht durch den sich ausdehnenden Raum reist, wird seine Wellenlänge gestreckt. Dieser Effekt wird als kosmologische Rotverschiebung bezeichnet. Licht, das ursprünglich beispielsweise im sichtbaren oder ultravioletten Bereich ausgesendet wurde, kann uns dadurch erst im Infrarotbereich erreichen. Mit einem empfindlichen Infrarotteleskop können wir deshalb Galaxien untersuchen, deren Licht aus einer Zeit stammt, in der das Universum noch sehr jung war.
Zweitens können wir durch kosmische Staubwolken hindurchblicken. Viele interessante Vorgänge des Universums spielen sich hinter gewaltigen Ansammlungen von Gas und Staub ab. Im sichtbaren Licht bleiben diese Regionen häufig verborgen. Infrarotstrahlung kann solche Staubwolken bei geeigneten Wellenlängen besser durchdringen. Dadurch werden junge Sterne und andere Objekte sichtbar, die optischen Teleskopen bislang verborgen geblieben sind. James Webb ermöglicht uns somit nicht nur den Blick auf weiter entfernte Objekte, sondern auch einen anderen Blick auf bereits bekannte Regionen des Weltalls.
Ein außergewöhnlicher Beobachtungsort: der Lagrange-Punkt L2
Ein Teleskop mit der Empfindlichkeit von James Webb benötigt möglichst stabile Beobachtungsbedingungen. Das betrifft insbesondere seine Temperatur. Da das Teleskop Infrarotstrahlung misst, würde seine eigene Wärme die Beobachtungen erheblich beeinträchtigen. Es muss daher möglichst kalt betrieben und vor der Strahlung von Sonne, Erde und Mond geschützt werden.
Anders als Hubble umkreist Webb deshalb nicht die Erde in einigen Hundert Kilometern Höhe. Sein Einsatzort liegt rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, in der Umgebung des sogenannten zweiten Lagrange-Punktes, kurz L2.
Lagrange-Punkte sind besondere Positionen im Zusammenspiel der Gravitation zweier großer Himmelskörper. Im Fall von Webb sind das Sonne und Erde. In der Umgebung von L2 kann das Teleskop die Sonne gemeinsam mit der Erde umrunden und dabei ungefähr auf der sonnenabgewandten Seite unseres Planeten bleiben. Webb steht allerdings nicht unbeweglich an diesem Punkt. Es bewegt sich auf einer großräumigen Bahn um L2, einer sogenannten Halo-Umlaufbahn.
Dieser Standort bietet gleich mehrere Vorteile. Sonne, Erde und Mond befinden sich aus Sicht des Teleskops stets ungefähr in derselben Richtung. So kann ein großer Sonnenschutzschild die empfindlichen Instrumente dauerhaft von den wichtigsten Wärmequellen abschirmen. Gleichzeitig bleibt die Kommunikation mit der Erde möglich.
Die große Entfernung hat allerdings auch einen Nachteil: Ein bemannter Wartungseinsatz wie bei Hubble ist für James Webb nicht vorgesehen. Umso wichtiger war es, dass die komplizierte Technik zuverlässig funktionieren würde.
Ein goldener Spiegel und ein Sonnenschutzschild von der Größe eines Tennisplatzes
Das auffälligste Merkmal des James-Webb-Weltraumteleskops ist zweifellos sein sechseckig segmentierter, goldfarbener Hauptspiegel. Er besteht aus 18 einzelnen Spiegelsegmenten, die zusammen einen Hauptspiegel von 6,5 Metern Durchmesser bilden. Die Segmente bestehen aus Beryllium und sind mit einer hauchdünnen Goldschicht überzogen. Gold eignet sich besonders gut, um Infrarotstrahlung zu reflektieren.
Die sechseckige Form ermöglicht es, die Segmente zu einer großen, annähernd geschlossenen Spiegelfläche zusammenzufügen. Damit aus den 18 einzelnen Segmenten ein präzises optisches System wird, müssen sie äußerst genau ausgerichtet werden. Schon winzige Abweichungen würden die Bildqualität beeinträchtigen.
Unter dem eigentlichen Teleskop befindet sich ein weiteres technisches Meisterwerk: der fünflagige Sonnenschutzschild. Mit seinen Abmessungen von ungefähr 21 mal 14 Metern ist er etwa so groß wie ein Tennisplatz. Die einzelnen Schichten bestehen aus einem extrem dünnen, beschichteten Kunststoffmaterial. Sie reflektieren und verteilen die einfallende Wärmestrahlung und sorgen dafür, dass die Wärme zwischen den Lagen abgeführt werden kann. Auf diese Weise entsteht eine warme, zur Sonne gerichtete Seite und eine extrem kalte Seite, auf der sich Spiegel und wissenschaftliche Instrumente befinden.
Der optische Teil des Teleskops kann dadurch auf Temperaturen unter etwa minus 220 Grad Celsius abkühlen. Für das besonders empfindliche Mittelinfrarot-Instrument MIRI ist sogar eine zusätzliche aktive Kühlung auf ungefähr sieben Kelvin erforderlich – das entspricht rund minus 266 Grad Celsius. Diese extrem niedrigen Temperaturen sind keine technische Spielerei. Sie sind eine Voraussetzung dafür, die schwache Infrarotstrahlung weit entfernter Himmelskörper überhaupt zuverlässig messen zu können.
Eine lange Reise bis zum Start
Schon die Entwicklung und der Bau von James Webb stellten enorme technische Herausforderungen dar. Doch selbst als das Teleskop fertiggestellt war, stand ihm noch eine ungewöhnliche Reise bevor. Der Transport eines Observatoriums dieser Größe und Empfindlichkeit erforderte besondere Schutzmaßnahmen. Das vollständig getestete Teleskop wurde in einem speziellen Transportbehälter untergebracht und von Kalifornien aus auf dem Seeweg nach Französisch-Guayana gebracht. Die Route führte unter anderem durch den Panamakanal.
Am europäischen Weltraumbahnhof bei Kourou erfolgten die letzten Startvorbereitungen. Dort wurde Webb in die Nutzlastverkleidung einer Ariane-5-Trägerrakete integriert. Am 25. Dezember 2021 war es schließlich so weit: Eine Ariane 5 brachte das James-Webb-Weltraumteleskop erfolgreich ins All. Der Start war das Ergebnis einer internationalen Zusammenarbeit. Die NASA leitete das Projekt gemeinsam mit der europäischen Weltraumorganisation ESA und der kanadischen Weltraumagentur CSA. Doch mit dem erfolgreichen Raketenstart war die größte technische Herausforderung noch nicht vollständig überwunden.
Ein Teleskop, das sich im Weltall selbst entfalten musste
James Webb war in seiner endgültigen Form viel zu groß, um in die Nutzlastverkleidung der Ariane 5 zu passen. Deshalb wurde das Observatorium für den Start zusammengefaltet. Der Sonnenschutzschild, Teile seiner Trägerstruktur und die seitlichen Segmente des Hauptspiegels mussten erst nach dem Start entfaltet werden.
Während der Reise in Richtung L2 begann eine komplexe, über mehrere Tage verteilte Abfolge mechanischer Vorgänge. Zunächst wurden verschiedene Konstruktionselemente ausgefahren. Anschließend entfaltete sich der mehrlagige Sonnenschutzschild und wurde gespannt. Danach folgten unter anderem der Sekundärspiegel und die beiden seitlichen Flügel des Hauptspiegels. Jeder dieser Schritte musste zuverlässig funktionieren. Gerade der Sonnenschutzschild mit seinen zahlreichen Gelenken, Seilen, Spannmechanismen und dünnen Membranen stellte eine außergewöhnliche Ingenieurleistung dar.
Nach rund einem Monat erreichte Webb seine vorgesehene Einsatzregion um L2. Es folgten weitere Monate, in denen die Spiegel ausgerichtet, die Instrumente aktiviert und sämtliche Systeme kalibriert wurden. Erst danach konnte der reguläre wissenschaftliche Beobachtungsbetrieb beginnen.
Wie entsteht ein Bild im James-Webb-Teleskop?
Ein großer Spiegel allein macht noch kein funktionierendes Teleskop. Entscheidend ist, wie das eingefangene Licht gesammelt, gebündelt und zu den wissenschaftlichen Instrumenten geleitet wird.
Webb verwendet ein optisches System mit drei gekrümmten Spiegeln. Der große Hauptspiegel, auch Primärspiegel genannt, sammelt die einfallende Strahlung und reflektiert sie zum kleineren Sekundärspiegel. Dieser befindet sich auf einer Haltekonstruktion vor dem Hauptspiegel. Von dort wird das Licht zurück in Richtung des Teleskops gelenkt und durch einen dritten Spiegel weiter aufbereitet.
Ein zusätzlicher Feinsteuerungsspiegel sorgt dafür, dass kleinste Bewegungen ausgeglichen werden können und das Licht präzise bei den Instrumenten ankommt. Erst dort werden aus den eintreffenden Photonen wissenschaftlich auswertbare Daten. Das ist ein wesentlicher Punkt: James Webb ist nicht nur eine Kamera im Weltraum, sondern ein ganzes astronomisches Observatorium mit unterschiedlichen Messinstrumenten.
Vier Instrumente für unterschiedliche wissenschaftliche Aufgaben
Die Instrumente von Webb ergänzen sich. Jedes wurde für bestimmte Wellenlängen und Beobachtungsverfahren entwickelt. In meinem Vortrag habe ich deshalb die vier zentralen Instrumentensysteme genauer vorgestellt.
- NIRCam – Near Infrared Camera: Die Nahinfrarotkamera erzeugt hochaufgelöste Aufnahmen und ist besonders wichtig für die Untersuchung früher Galaxien sowie von Sternentstehungsgebieten. Sie kann außerdem mithilfe spezieller Blenden das Licht heller Sterne unterdrücken, um schwächere Objekte in deren Umgebung untersuchen zu können.
- MIRI – Mid-Infrared Instrument: MIRI beobachtet längere Infrarotwellenlängen und kombiniert Kamera- und Spektroskopiefunktionen. Damit lassen sich beispielsweise Staubstrukturen, relativ kühle Himmelskörper und Regionen intensiver Sternentstehung untersuchen.
- NIRSpec – Near Infrared Spectrograph: NIRSpec zerlegt das Licht astronomischer Objekte in seine verschiedenen Wellenlängen. Aus diesen Spektren können Forschende unter anderem chemische Zusammensetzungen und Rotverschiebungen ableiten. Besonders bemerkenswert ist die Möglichkeit, mithilfe zahlreicher winziger steuerbarer Öffnungen viele Objekte innerhalb eines Bildfeldes spektroskopisch zu untersuchen.
- NIRISS und FGS – Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph und Fine Guidance Sensor: NIRISS bietet weitere Beobachtungs- und Spektroskopieverfahren, etwa für die Untersuchung von Exoplanetenatmosphären. Der Fine Guidance Sensor dient der hochpräzisen Ausrichtung des Teleskops, damit die ausgewählten Himmelsobjekte während einer Beobachtung zuverlässig im Blickfeld bleiben.
Hinzu kommen Filter, Spektrografen und teilweise sogenannte Koronografen, die unterschiedliche wissenschaftliche Beobachtungsmethoden ermöglichen. Während eine Kamera die Verteilung der Strahlung am Himmel erfasst, zerlegt ein Spektrograf das eintreffende Licht in seine einzelnen Wellenlängen. Ein solches Spektrum kann weit mehr über einen Himmelskörper verraten als ein gewöhnliches Bild. Welche Möglichkeiten diese Instrumente eröffnen, zeigten bereits die ersten veröffentlichten Beobachtungen.
Was James Webb tatsächlich leisten kann
Im Juli 2022 veröffentlichte die NASA gemeinsam mit ihren Partnerorganisationen die ersten großen wissenschaftlichen Aufnahmen und Messdaten des James-Webb-Weltraumteleskops. Sie demonstrierten unmittelbar, dass Webb nicht nur technisch funktionierte, sondern die Erwartungen an seine wissenschaftlichen Möglichkeiten erfüllen konnte.
Schärfer und detailreicher: der Vergleich mit früheren Infrarotteleskopen
Ein anschauliches Beispiel aus meinem Vortrag zeigt denselben Himmelsbereich, aufgenommen mit unterschiedlichen Weltraumteleskopen. Zu sehen sind Beobachtungen des Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), des Spitzer-Weltraumteleskops und von James Webb. Alle drei Teleskope sind beziehungsweise waren für Beobachtungen im Infrarotbereich ausgelegt.
Während in den älteren Aufnahmen viele Sterne und Strukturen ineinander überzugehen scheinen, werden mit Webb deutlich feinere Einzelheiten sichtbar. Punktförmige Lichtquellen lassen sich besser voneinander trennen. Staubstrukturen treten klarer hervor, und zuvor unübersichtliche Regionen offenbaren neue Details.
Dabei gilt allerdings: Die Aufnahmen entstanden bei unterschiedlichen Infrarotwellenlängen. Der Vergleich zeigt deshalb nicht ausschließlich einen Unterschied in der Bildschärfe, sondern auch die jeweiligen Beobachtungseigenschaften der Instrumente. Trotzdem verdeutlicht er eindrucksvoll den technologischen Fortschritt.
Ein Blick Milliarden Jahre in die Vergangenheit: SMACS 0723
Eine der bekanntesten frühen Webb-Aufnahmen zeigt den Galaxienhaufen SMACS 0723. Auf den ersten Blick sehen wir einen Himmelsausschnitt voller leuchtender Punkte, spiralförmiger Strukturen und länglicher Lichtbögen. Doch nahezu jeder dieser Lichtflecken erzählt eine eigene Geschichte. Viele der sichtbaren Objekte sind keine einzelnen Sterne, sondern ganze Galaxien mit Milliarden von Sternen.
Besonders faszinierend sind die gebogenen und verzerrten Lichtstrukturen. Sie entstehen durch den sogenannten Gravitationslinseneffekt. Die große Masse des Galaxienhaufens, einschließlich seiner Dunklen Materie, krümmt die Raumzeit. Dadurch wird das Licht noch weiter entfernter Galaxien abgelenkt und teilweise vergrößert. Der Galaxienhaufen wirkt somit wie eine natürliche kosmische Linse.
In meinem Vortrag standen zwei unterschiedliche Aufnahmen dieses Himmelsausschnitts nebeneinander. Links war eine Aufnahme im mittleren Infrarotbereich durch MIRI zu sehen, rechts eine Nahinfrarotaufnahme von NIRCam. Die Unterschiede sind bemerkenswert. Abhängig von der beobachteten Wellenlänge treten unterschiedliche Sterne, Galaxien und Staubstrukturen hervor. Auch ihre scheinbaren Farben unterscheiden sich erheblich.
Die Bilder zeigen, dass wir nicht einfach nur immer schärfere Fotografien des Universums erhalten. Wir lernen vielmehr, seine unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften sichtbar zu machen. Und weil das Licht der entferntesten Galaxien Milliarden Jahre unterwegs war, liefern solche Aufnahmen zugleich Informationen über frühe Phasen der kosmischen Entwicklung.
WASP-96 b: Die Atmosphäre eines fremden Planeten untersuchen
Zu den wissenschaftlich besonders interessanten Ergebnissen gehört für mich die Untersuchung von Exoplaneten. Ein Exoplanet ist ein Planet, der einen anderen Stern als unsere Sonne umkreist. Viele dieser Planeten sind so weit entfernt, dass wir sie nicht direkt als aufgelöste Scheiben fotografieren können. Trotzdem ist es möglich, etwas über ihre Atmosphären zu erfahren.
Ein Beispiel dafür ist der Gasplanet WASP-96 b. Dieser Planet zieht aus unserer Perspektive regelmäßig vor seinem Mutterstern vorbei. Während eines solchen Transits wird ein kleiner Teil des Sternenlichts von der Atmosphäre des Planeten gefiltert. Bestimmte Moleküle absorbieren Licht bei charakteristischen Wellenlängen. Indem Astronominnen und Astronomen das Sternenlicht während und außerhalb des Transits vergleichen, lässt sich ein sogenanntes Transmissionsspektrum erstellen.
Genau ein solches Spektrum war Bestandteil meines Vortrags. Die Messwerte zeigen auffällige Strukturen, die auf die Absorption durch Wasserdampf zurückzuführen sind. James Webb konnte damit bereits in einer seiner frühen Beobachtungen deutliche Hinweise auf Wasser in der Atmosphäre eines fremden Planeten liefern. Die Daten ließen außerdem Rückschlüsse auf Wolken und möglicherweise Dunst in der Atmosphäre zu.
WASP-96 b ist allerdings kein zweiter erdähnlicher Planet. Es handelt sich um einen extrem heißen Gasriesen mit Atmosphärentemperaturen von mehreren Hundert Grad Celsius. Die eigentliche Bedeutung dieses Ergebnisses liegt deshalb in der Messmethode. Wenn wir die atmosphärische Zusammensetzung eines solchen Planeten aus großer Entfernung bestimmen können, eröffnet das auch neue Möglichkeiten bei der Untersuchung anderer Exoplaneten.
Langfristig stellt sich dabei eine der spannendsten Fragen der Astronomie: Können wir in den Atmosphären ferner Welten chemische Hinweise auf Bedingungen finden, unter denen Leben möglich wäre? Ein einzelner Molekülnachweis wäre dafür noch kein Beweis. Doch die Fähigkeit, solche Atmosphären überhaupt präzise zu untersuchen, ist ein bedeutender Fortschritt.
Die Kosmischen Klippen: Wo neue Sterne entstehen
Nicht alle eindrucksvollen Aufnahmen von James Webb zeigen weit entfernte Galaxien. Manche führen uns zu gewaltigen Sternentstehungsgebieten innerhalb unserer eigenen Milchstraße. Ein besonders faszinierendes Beispiel sind die sogenannten Kosmischen Klippen (Cosmic Cliffs) im Carinanebel.
Die Aufnahme zeigt eine scheinbar zerklüftete Landschaft aus Bergen, Tälern und aufsteigenden Wolken. Tatsächlich handelt es sich um gewaltige Ansammlungen von Gas und Staub in der Sternentstehungsregion NGC 3324, ungefähr 7.600 Lichtjahre von der Erde entfernt. Die vermeintlichen Bergketten sind Grenzbereiche einer großen Gas- und Staubwolke. Intensive ultraviolette Strahlung und starke Sternwinde junger, massereicher Sterne tragen das Material langsam ab und formen die eindrucksvollen Strukturen. Gleichzeitig entstehen innerhalb der dichteren Bereiche neue Sterne.
Gerade hier demonstriert Webb seine besondere Stärke. Im Infrarotlicht werden zahlreiche junge Sterne sichtbar, die in optischen Aufnahmen hinter Staubwolken verborgen bleiben. Unterschiedliche Aufnahmen und Bildausschnitte dieser Region verdeutlichen zudem, wie sehr sich das Erscheinungsbild mit dem verwendeten Beobachtungsbereich verändert. Nahinfrarotaufnahmen zeigen besonders deutlich viele der Sterne und fein aufgelöste Gasstrukturen. Beobachtungen im mittleren Infrarotbereich heben dagegen bestimmte Staubbestandteile und die Umgebung junger, noch eingebetteter Sterne hervor.
Die Bilder sind dabei keine gewöhnlichen Farbfotografien. Da das untersuchte Infrarotlicht für das menschliche Auge unsichtbar ist, werden die verschiedenen gemessenen Wellenlängen bei der Bildbearbeitung sichtbaren Farben zugeordnet. Die Farben sind also nicht frei erfunden, sondern dienen dazu, unterschiedliche Messbereiche und Strukturen unterscheidbar zu machen. Was wie eine malerische Landschaft erscheint, ist in Wirklichkeit ein gewaltiges kosmisches Labor, in dem sich die Entstehung neuer Sterne beobachten lässt.
Stephans Quintett: Wenn Galaxien miteinander wechselwirken
Eines der eindrucksvollsten Motive aus den ersten Webb-Veröffentlichungen zeigt Stephans Quintett. Die Aufnahme zeigt fünf Galaxien, die aus unserer Perspektive vergleichsweise eng beieinanderstehen. Tatsächlich gehören jedoch nur vier der Galaxien zu einer räumlich zusammenhängenden, miteinander wechselwirkenden Gruppe. Die fünfte Galaxie, NGC 7320, befindet sich deutlich näher an der Erde und liegt lediglich zufällig in derselben Blickrichtung.
Die vier übrigen Galaxien beeinflussen sich gegenseitig durch ihre Gravitation. Dabei werden gewaltige Mengen an Gas, Staub und Sternen aus ihren ursprünglichen Strukturen herausgezogen. Es entstehen langgezogene Materieströme, Stoßwellen und Regionen, in denen neue Sterne gebildet werden.
James Webb ermöglicht es, diese Wechselwirkungen mit einer beeindruckenden Detailfülle zu beobachten. Die Aufnahme zeigt nicht nur die Galaxien selbst, sondern auch zahlreiche feinere Strukturen innerhalb der Galaxien und ihrer Umgebung. Solche Systeme sind für die Forschung besonders interessant, weil die Wechselwirkungen und Verschmelzungen von Galaxien eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Universums spielen. Galaxien sind keine unveränderlichen Sterneninseln. Sie wachsen, beeinflussen sich gegenseitig und können miteinander verschmelzen. Auch unsere Milchstraße ist Teil dieser kosmischen Entwicklungsgeschichte.
Der Südliche Ringnebel: Ein Blick auf das Ende eines Sternenlebens
Die letzte große Bildgegenüberstellung meines Vortrags führt zu einem ganz anderen Abschnitt des stellaren Lebenszyklus. Während die Kosmischen Klippen die Entstehung neuer Sterne zeigen, sehen wir beim Südlichen Ringnebel (NGC 3132) die Spätphase eines Sterns. Der ungefähr 2.500 Lichtjahre entfernte Nebel gehört zur Klasse der planetarischen Nebel. Der Name ist historisch bedingt und etwas irreführend: Mit Planeten haben diese Objekte nichts zu tun.
Ein planetarischer Nebel entsteht, wenn ein Stern in einer späten Entwicklungsphase seine äußeren Gasschichten abstößt. Das abgestoßene Material breitet sich im Weltraum aus und bildet die oft symmetrischen, manchmal aber auch äußerst komplexen Strukturen, die wir beobachten können. Im Zentrum bleibt schließlich ein sehr heißer, kompakter Sternenrest zurück – ein Weißer Zwerg.
Die Webb-Aufnahmen zeigen den Südlichen Ringnebel in zwei unterschiedlichen Infrarotbereichen. Links ist die Nahinfrarotaufnahme von NIRCam zu sehen, rechts die Mittelinfrarotaufnahme von MIRI. Besonders interessant ist die Region im Zentrum des Nebels. Dort befindet sich ein Sternpaar. Einer der beiden Sterne hat die Gashüllen abgestoßen, aus denen der Nebel entstanden ist. Im mittleren Infrarotbereich wird dieser von Staub umgebene Stern besonders deutlich sichtbar.
Die unterschiedlichen Aufnahmen offenbaren zudem verschiedene Strukturen der ausgestoßenen Materie. Solche Beobachtungen helfen uns zu verstehen, wie Sterne ihre äußeren Schichten verlieren, welche Rolle Begleitsterne spielen und wie das abgestoßene Material den interstellaren Raum mit chemischen Elementen anreichert.
Damit schließt sich gewissermaßen ein Kreislauf. Aus Gas- und Staubwolken entstehen neue Sterne. Diese entwickeln sich über Millionen oder Milliarden Jahre und geben am Ende ihres Lebens einen Teil ihrer Materie wieder an ihre Umgebung ab. Aus diesem Material können später neue Sterne und Planetensysteme entstehen.
Zu den Horizonten anderer Welten
Das James-Webb-Weltraumteleskop ist zweifellos eines der beeindruckendsten wissenschaftlichen Instrumente, die die Menschheit bislang entwickelt hat. Seine Bedeutung geht jedoch weit über technische Rekorde hinaus. Mit Webb können wir die Entstehung und Entwicklung von Galaxien untersuchen, in bislang verborgene Sternentstehungsgebiete blicken, das Ende von Sternen beobachten und die Atmosphären von Planeten analysieren, die viele Lichtjahre von unserer Erde entfernt sind. Die ersten Veröffentlichungen aus dem Jahr 2022 zeigten bereits eindrucksvoll, welches Potenzial in diesem Observatorium steckt. Genau diese frühen Aufnahmen und wissenschaftlichen Ergebnisse bildeten den Abschluss meines Vortrags beim PAS 2024.
Was mich an der Astronomie besonders fasziniert, ist die Verbindung aus grundlegenden naturwissenschaftlichen Fragen und der technischen Fähigkeit, immer weiter über unsere bisherigen Grenzen hinauszublicken. Wir können nicht zu fernen Galaxien reisen oder die Atmosphäre eines Exoplaneten vor Ort untersuchen. Aber wir können das Licht analysieren, das uns von dort erreicht, und daraus erstaunlich detaillierte Erkenntnisse gewinnen. James Webb erweitert diese Möglichkeiten erheblich.
Und vielleicht ist genau das die wichtigste Erkenntnis: Jede neue Beobachtungsmöglichkeit verändert nicht nur unser Bild vom Universum. Sie eröffnet auch Fragen, die wir zuvor noch gar nicht stellen konnten.
Dieser Artikel basiert auf meinem Vortrag über das James-Webb-Weltraumteleskop beim Praktischen Astronomischen Samstag 2024 des Astronomischen Vereins der Grafschaft Bentheim. Er greift die damals vorgestellten technischen Grundlagen und frühen wissenschaftlichen Ergebnisse auf. Weiterführende Informationen und Originalaufnahmen bieten die offizielle NASA-Missionsseite und die Sammlung der ersten Webb-Aufnahmen.
Originalaufnahme des Beitragsbildes: NASA – Kosmische Klippen (NIRCam). Bild: NASA, ESA, CSA, STScI; Ausschnitt im Format 16:9.
