Quelle: ESA / Science & Exploration / Space Science / Webb, 22. Juni 2026

Als sich der interstellare Komet 3I/ATLAS im Dezember 2025 von der Sonne entfernte, nutzten Astronomen die Gelegenheit, das leistungsstarke James-Webb-Weltraumteleskop der NASA, ESA und CSA auf ihn auszurichten und detaillierte Messungen seiner chemischen Bestandteile durchzuführen. Der Komet war durch seinen jüngsten Vorbeiflug an der Sonne noch warm, und sein uraltes Eis hatte sich in eine helle Gaskoma verwandelt, die sich ideal für Beobachtungen eignete.

Webb erfasste detaillierte Daten, darunter chemische Verhältnisse von Kohlenstoff und Deuterium – auch als schwerer Wasserstoff bekannt –, die in Kometen des Sonnensystems nicht vorkommen. Die Ergebnisse überraschten die Forscher. Durch Rückrechnung nutzten die Astronomen die Bestandteile des Kometen 3I/ATLAS, um die Umgebung zu verstehen, in der er entstanden war.

Ein Artikel, in dem die Ergebnisse detailliert beschrieben werden, wurde am 22. Juni 2026 in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Der Name des Kometen leitet sich davon ab, dass es sich um den dritten bestätigten interstellaren Kometen handelt – das heißt, er stammt von außerhalb des Sonnensystems – sowie von dem Teleskop, das ihn erstmals entdeckt hat: dem von der NASA finanzierten ATLAS (Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System).

„Dies war eine einzigartige Gelegenheit, ein uraltes Objekt aus einer fernen Galaxie zu untersuchen, das wahrscheinlich älter ist als unsere Sonne und unser Sonnensystem“, sagte der Astrochemiker Martin Cordiner vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und Hauptautor der Studie. „Einerseits erhalten wir einen direkten Einblick in diese ferne Zeit und diesen fernen Ort, und andererseits lernen wir etwas darüber, wie ungewöhnlich unser eigenes Sonnensystem möglicherweise ist.“

Cordiner und das Forschungsteam nutzten gemeinsam mit Astronomen aus vielen Teilgebieten die Gelegenheit, einen Blick auf 3I/ATLAS auf seiner Reise durch das Sonnensystem zu werfen. Sie erhielten die Genehmigung, den geplanten Beobachtungsplan des Webb-Teleskops zu unterbrechen, um das Instrument NIRSpec (Nahinfrarot-Spektrograf) zur Untersuchung des Kometen einzusetzen.

NIRSpec wies außergewöhnlich hohe Deuteriumkonzentrationen nach, etwa 30-mal so hoch wie bei Kometen im Sonnensystem. Dies deutet darauf hin, dass 3I/ATLAS möglicherweise in einem sehr kalten System entstanden ist, und zwar zu einem viel früheren Zeitpunkt in der Geschichte unserer Galaxie. Während seiner Entstehung war das Material, aus dem 3I/ATLAS entstand, wahrscheinlich reichlich Strahlung ausgesetzt, jedoch keiner langfristigen Wärme, die sein „Schwerwasser“-Eis mit Deuterium in die uns auf der Erde bekannte Form von H₂O-Eis umgewandelt hätte.

Zudem wies NIRSpec im Vergleich zum leichteren Kohlenstoff-12 nur Spuren von Kohlenstoff-13 nach. Auch dies deutet auf einen sehr alten Ursprung von 3I/ATLAS hin, da sich Sternsysteme im Laufe der Zeit mit Kohlenstoff-13 anreichern, während in der Galaxie Generationen von Sternen entstehen und vergehen. Aus diesem Grund sind die Kohlenstoff-13-Konzentrationen in unserem Sonnensystem, das sich vor relativ kurzer Zeit – vor 4,5 Milliarden Jahren – gebildet hat, höher.

Das Forschungsteam schätzt, dass sich 3I/ATLAS bereits vor 10 bis 12 Milliarden Jahren gebildet haben könnte, während des „kosmischen Mittags“ des Universums, als die Sternentstehung ihren Höhepunkt erreichte. Sein ursprüngliches Entstehungssystem befand sich wahrscheinlich in einer relativ kalten, dichten Wolke. Der hohe Gehalt an schwerem Wasser zeigt, dass 3I/ATLAS seine Entstehungsjahre in einem tiefgefrorenen Zustand verbrachte.

Eine separate Studie unter Verwendung des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte unter der Leitung der Astronomin Cyrielle Opitom von der Universität Edinburgh ergänzt die Ergebnisse von Webb durch eine Analyse der Kohlenstoff- und Stickstoffvarianten von 3I/ATLAS in Form der chemischen Verbindung Cyanid.

„Für uns als Wissenschaftler ist die Entdeckung dieser seltenen Isotope faszinierend, aber im größeren Zusammenhang geht es hier darum, die Möglichkeiten präbiotischer Chemie an anderen Orten in der Galaxie zu untersuchen“, sagte Stefanie Milam vom NASA Goddard Space Flight Center und Mitautorin der Studie zusammen mit Cordiner. „Bislang kennen wir nur einen Ort im unermesslichen Kosmos, an dem chemische Bausteine zum Entstehen von Leben geführt haben – unser Sonnensystem, unsere Erde. Die Analyse dieser interstellaren Objekte ist ein wichtiger Schritt, um zu erfahren, wie häufig oder selten die Bedingungen für die Entstehung von Leben im Universum sind.“

Weitere Informationen

Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All gebracht wurde. Im Rahmen einer internationalen Kooperationsvereinbarung stellte die ESA den Startdienst für das Teleskop unter Einsatz der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit ihren Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Anpassungen der Ariane 5 für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den Hauptspektrografen NIRSpec sowie 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI bereit, das von einem Konsortium staatlich finanzierter europäischer Institute (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der University of Arizona entwickelt und gebaut wurde.

Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (CSA).

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• Interstellare Objekte

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Quelle: ESA/Science&Exploration/SpaceScience/Webb, 13. August 2025

Eine schützende Atmosphäre, eine freundliche Sonne und viel flüssiges Wasser – die Erde ist ein besonderer Ort. Mit den beispiellosen Fähigkeiten des Webb-Teleskops wollen Astronomen herausfinden, wie besonders und selten unser Heimatplanet tatsächlich ist. Kann diese gemäßigte Umgebung auch anderswo existieren, sogar um einen anderen Sterntyp herum? Das TRAPPIST-1-System bietet eine spannende Gelegenheit, dieser Frage nachzugehen, da es sieben erdgroße Welten umfasst, die den häufigsten Sterntyp in der Galaxie umkreisen: einen roten Zwerg.

„Letztendlich wollen wir wissen, ob es anderswo eine Umgebung gibt, die der auf der Erde ähnelt, und unter welchen Bedingungen. weil das James-Webb-Weltraumteleskop uns erstmals die Möglichkeit gibt, diese Frage bei erdähnlichen Planeten zu untersuchen, können wir zum jetzigen Zeitpunkt TRAPPIST-1 d von der Liste der potenziellen Zwillinge oder Cousins der Erde streichen“, sagte Caroline Piaulet-Ghorayeb von der University of Chicago und dem Trottier Institute for Research on Exoplanets (IREx) an der Université de Montréal, Hauptautorin der in The Astrophysical Journal veröffentlichten Studie

Der Planet TRAPPIST-1 d

Das TRAPPIST-1-System ist 40 Lichtjahre entfernt und offenbarte sich 2017 dank Daten des außer Dienst gestellten Spitzer-Weltraumteleskops der NASA und anderer Observatorien als Rekordhalter für die meisten erdgroßen Gesteinsplaneten um einen einzelnen Stern. Da es sich bei diesem Stern um einen lichtschwachen, relativ kalten Roten Zwerg handelt, liegt die „habitable Zone“ – der Bereich in dem die Temperatur des Planeten genau richtig sein könnte, um flüssiges Oberflächenwasser zu ermöglichen – viel näher am Stern als in unserem Sonnensystem. TRAPPIST-1 d, der dritte Planet des Roten Zwergsterns, liegt an der Schwelle zu dieser gemäßigten Zone, doch sein Abstand zu seinem Stern beträgt nur 2 Prozent des Abstands der Erde von der Sonne. TRAPPIST-1 d vollendet eine vollständige Umlaufbahn um seinen Stern, sein Jahr, in nur vier Erdentagen.
Webbs NIRSpec-Instrument (Nahinfrarot-Spektrograph) konnte auf TRAPPIST-1 d keine in der Erdatmosphäre häufig vorkommenden Moleküle wie Wasser, Methan oder Kohlendioxid nachweisen. Piaulet-Ghorayeb skizzierte für den Exoplaneten jedoch mehrere Punkte, die für weitere Untersuchungen offen sind.
„Es gibt mehrere mögliche Gründe, warum wir um TRAPPIST-1 d keine Atmosphäre entdecken konnten. Er könnte eine extrem dünne Atmosphäre haben, die schwer zu erkennen ist, ähnlich wie beim Mars. Alternativ könnten sehr dichte Wolken in großer Höhe die Erkennung spezifischer atmosphärischer Signaturen blockieren – ähnlich wie bei der Venus. Oder es könnte sich um einen kargen Felsen ohne jegliche Atmosphäre handeln“, sagte Piaulet-Ghorayeb.

Die Stern TRAPPIST-1

Was auch immer auf TRAPPIST-1 d zutrifft, es ist hart, ein Planet im Orbit eines roten Zwergsterns zu sein. TRAPPIST-1, der Mutterstern des Systems, ist bekannt für seine Unbeständigkeit und setzt häufig hochenergetische Strahlung frei, die die Atmosphäre seiner kleinen Planeten zerstören kann, insbesondere derjenigen, die ihm am nächsten kommen. Dennoch sind Wissenschaftler motiviert, nach Anzeichen von Atmosphären auf den TRAPPIST-1-Planeten zu suchen, da rote Zwergsterne die häufigsten Sterne in unserer Galaxie sind. Wenn Planeten hier unter Wellen harter Sternstrahlung eine Atmosphäre bewahren können, könnten sie es, wie man so schön sagt, überall schaffen.
„Webbs empfindliche Infrarotinstrumente ermöglichen es uns erstmals, in die Atmosphären dieser kleineren, kälteren Planeten einzutauchen“, sagte Björn Benneke vom IREx an der Université de Montréal, ein Co-Autor der Studie. „Wir stehen erst am Anfang, Webb zu nutzen, um nach Atmosphären auf erdgroßen Planeten zu suchen und die Grenze zwischen Planeten, die eine Atmosphäre halten können, und solchen, die das nicht können, zu ziehen.“

Die äußeren TRAPPIST-1 Planeten

Die Beobachtungen der äußeren TRAPPIST-1-Planeten durch Webb laufen noch, was sowohl Potenzial als auch Gefahren birgt. Einerseits, so Benneke, könnten die Planeten e, f, g und h aufgrund ihrer größeren Entfernung von den energiereichen Eruptionen ihres Muttersterns eine höhere Wahrscheinlichkeit für eine Atmosphäre aufweisen. Ihre Entfernung und die kältere Umgebung erschweren jedoch die Erkennung atmosphärischer Signaturen, selbst mit Webbs Infrarotinstrumenten.
„Für die Atmosphären um die TRAPPIST-1-Planeten ist noch nicht alle Hoffnung verloren“, sagte Piaulet-Ghorayeb. „Obwohl wir bei Planet d keine große, deutliche atmosphärische Signatur gefunden haben, besteht dennoch die Möglichkeit, dass die äußeren Planeten viel Wasser und andere atmosphärische Komponenten enthalten.“
„Unsere Detektivarbeit hat gerade erst begonnen. Während sich TRAPPIST-1 d als karger Felsbrocken erweisen könnte, der von einem grausamen roten Stern erleuchtet wird, könnten die äußeren Planeten TRAPPIST-1e, f, g und h dennoch dichte Atmosphären besitzen“, fügte Ryan MacDonald hinzu, ein Co-Autor der Studie, der jetzt an der University of St Andrews in Großbritannien und zuvor an der University of Michigan forscht. „Dank Webb wissen wir nun, dass TRAPPIST-1 d alles andere als eine gastfreundliche Welt ist. Wir lernen, dass die Erde im Kosmos weiter eine besondere Rolle spielt.“

Links:

• Release on esawebb.org
• Science paper

Weitere Informationen

Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All gebracht wurde. Im Rahmen einer internationalen Kooperationsvereinbarung stellte die ESA den Start des Teleskops mit der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Ariane-5-Adaptionen für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den leistungsstarken Spektrographen NIRSpec und 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI zur Verfügung, das von einem Konsortium national finanzierter europäischer Institute (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der University of Arizona entwickelt und gebaut wurde.
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• Exoplaneten

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Quelle: MPIA 14. September 2023.

14. September 2023 – Das etwa 1.000 Lichtjahre von der Erde entfernte Objekt im Sternbild Perseus ist einer der jüngsten und nächstgelegenen Gasströme eines Protosterns und damit ein ideales Ziel für das JWST.

Herbig-Haro-Objekte umgeben neugeborene Sterne und entstehen, wenn Sternwinde oder Gasströme, die von diesen neugeborenen Sternen ausgehen, Stoßwellen bilden, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit mit Gas und Staub in der Nähe zusammenstoßen. Eine neue, faszinierende JWST-Aufnahme von HH 211 zeigt den Ausstrom eines Protosterns der Klasse 0, eines frühen Gegenstücks zu unserer Sonne, das erst einige zehntausend Jahre alt ist und nur 8 % der Masse der heutigen Sonne hat (es wird irgendwann zu einem sonnenähnlichen Stern heranwachsen). Protosterne haben noch nicht das Stadium der Kernfusion erreicht.

Infrarotaufnahmen sind bei der Untersuchung neugeborener Sterne und ihrer Ausströmungen sehr hilfreich, da solche Sterne immer noch in die Gaswolke eingebettet sind, aus der sie entstanden sind. Die Infrarotstrahlung der Ströme durchdringt das trübende Gas und den Staub und macht ein Herbig-Haro-Objekt wie HH 211 ideal für die Beobachtung mit den empfindlichen Infrarotinstrumenten des JWST. Moleküle, die durch die turbulenten Bedingungen angeregt werden, darunter molekularer Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Siliziummonoxid, emittieren infrarotes Licht, das JWST erfassen kann, um die Struktur der Ausströmungen zu kartieren.

Das Bild zeigt eine Reihe von Bugstoßwellen, also durch Gas­kollisionen ausgelöste Strahlung, im Süd­osten (unten links) und Nordwesten (oben rechts) sowie den eingebetteten schmalen bipolaren Jet, der sie antreibt, in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit – eine etwa fünf- bis zehnmal höhere räumliche Auf­lösung als alle bisherigen Bilder von HH 211. Diese Serie von angeregten Stoßwellen deutet auf eine epi­soden­hafte Frei­setzung von Gas hin, die in direktem Zu­sammen­hang mit dem Wachs­tum des Proto­sterns durch einfallenden Staub und Gas steht.

Der innere Jet „wackelt“ spiegelsymmetrisch auf beiden Seiten des zentralen Protosterns. Dies stimmt mit Beobachtungen auf kleineren Größenordnungen überein und deutet darauf hin, dass es sich bei dem Protostern tatsächlich um einen unaufgelösten Doppelstern handeln könnte.

„Solche Beobachtungen mit dem JWST liefern nicht nur atem­beraubende Bilder. Sie geben uns auch ein Werk­zeug in die Hand, mit dem wir die Ent­wicklung der direkten Vorgänger von Sternen in noch nie dagewesener Detail­genauigkeit untersuchen können“, sagt Thomas Henning, Direktor des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland. „Damit liefern die Beobachtungen unschätzbare Informationen für unser Verständnis der Sternentstehung.“

Frühere Beobachtungen von HH 211 mit bodengebundenen Teleskopen zeigten Gasbewegungen entlang des Ausflusses, indem sie eine Wellenlängenverschiebung der emittierten Strahlung maßen. Nun fand das Team riesige rotverschobene (nordwestlich) und blauverschobene (südöstlich) Bugstoßwellen und hohlraumartige Strukturen im Licht des angeregten Wasserstoffs bzw. Kohlenmonoxids sowie einen knotenreichen und schlängelnden doppelseitigen Jet im Licht des Siliziummonoxids. Mit diesen neuen Beobachtungen mit NIRCam und NIRSpec an Bord des JWST fanden die Forschenden heraus, dass der Gasstrom des Objekts im Vergleich zu ähnlichen, aber weiter entwickelten Protosternen, relativ langsam ist.

Das Team maß die Geschwindigkeit der innersten Jetstrukturen auf etwa 80 bis 100 Kilometer pro Sekunde. Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen diesen Abschnitten des Ausflusses und dem vorgelagerten Material, mit dem sie kollidieren – die Geschwindigkeit der Stoßwelle – ist jedoch viel geringer. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Ausströmungen der jüngsten Sterne, wie die im Zentrum von HH 211, hauptsächlich aus Molekülen bestehen, da die Stoßwellengeschwindigkeiten vergleichsweise niedrig sind und die Energie nicht ausreicht, um die Moleküle in einfachere Atome und Ionen aufzuspalten.

Hintergrundinformationen
Die an dieser Forschung beteiligten MPIA-Forscher sind H. Beuther (Co-I), Th. Henning, und M. Güdel (ebenfalls ETH Zürich, Schweiz und Universität Wien, Österreich).

Die Astronomen beobachteten HH 211 im Rahmen des JWST Cycle 1 Observation Program 1257, „The Young Protostellar Outflow HH211“ (PI: Thomas Ray).

Das Weltraumteleskop James Webb (JWST) ist das weltweit führende Observatorium für die Weltraumforschung. JWST ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Die Nahinfrarotkamera (NIRCam) und der Nahinfrarotspektrograf (NIRSpec) sind zwei der vier wissenschaftlichen Instrumente des JWST. NIRCam ist der primäre Nahinfrarot-Bildgeber des JWST und liefert hochauflösende Bilder und Spektroskopie für eine Vielzahl von Untersuchungen. NIRSpec bietet niedrig-, mittel- und hochauflösende spektroskopische Beobachtungen im nahen Infrarot (von 0,6 bis 5,0 Mikrometer). Er wurde von der europäischen Industrie nach den Spezifikationen der ESA gebaut. Das MPIA lieferte die Mechanismen für die Filter- und Gitterräder.

Diese Pressemitteilung basiert auf einem ähnlich lautenden Artikel von ESA und STScI/NASA.

Originalveröffentlichung
T. P. Ray et al.
Outflows from the Youngest Stars are Mostly Molecular
Nature (2023)
DOI: dx.doi.org/10.1038/s41586-023-06551-1
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06551-1

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) 23. Januar 2023.

23. Januar 2023 – Ein internationales Team hat mithilfe des James-Webb-Teleskops (JWST) der NASA/ESA/CSA unterschiedliches „Eis“ in den dunkelsten und kältesten Regionen einer Molekülwolke entdeckt, die je untersucht wurden. Dieses Ergebnis ermöglicht es den Forschenden, einfache Moleküle zu analysieren, die in zukünftigen Exoplaneten enthalten sein könnten, und eröffnet gleichzeitig ein neues Fenster zum Ursprung komplexerer Moleküle, die der erste Schritt bei der Entstehung der Bausteine des Lebens sind.

Für die Entstehung eines bewohnbaren Planeten sind gefrorene Moleküle von entscheidender Bedeutung, da sie mehrere wichtige leichte Elemente liefern: Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel (zusammenfassend nach ihren Symbolen als CHONS bezeichnet). Diese Elemente sind zentrale Bestandteile der Planetenatmosphären und auch von Molekülen wie Zucker, Alkoholen und einfachen Aminosäuren. Auf unsere Erde gelangten diese Elemente vermutlich durch Einschläge von eisigen Kometen oder Asteroiden. Außerdem glauben die Astronomen und Astronominnen, dass solche Eiskristalle höchstwahrscheinlich bereits in der dunklen Wolke aus kaltem Staub und Gas vorhanden waren, aus der schließlich unser Sonnensystem entstand. In derartigen Regionen des Alls liefern eisige Staubkörner einzigartige Bedingungen für chemische Reaktionen zwischen Atomen und Molekülen, aus denen sich ganz gewöhnliche Stoffe wie Wasser bilden können. Detaillierte Laborstudien haben außerdem gezeigt, dass unter diesen eisigen Bedingungen auch einfache präbiotische Moleküle entstehen können.

Ein internationales Team hat nun mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA eine detaillierte Bestandsaufnahme der kältesten bisher gemessenen Eismassen in einer Molekülwolke veröffentlicht. Das Team suchte gezielt nach Eis in einer besonders kalten, dichten und schwer zu untersuchenden Region der Molekülwolke Chamäleon I, einer etwa 600 Lichtjahre von der Erde entfernten Gegend, in der sich Dutzende von jungen Sternen bilden.

Neben einfachen Eismolekülen wie Wasser konnte das Team gefrorene Formen einer breiten Palette von Molekülen identifizieren, von Kohlendioxid, Ammoniak und Methan bis hin zum komplexen organischen Molekül Methanol. Dies ist die bisher umfassendste Bestandsaufnahme der eisigen Bestandteile, die für die Bildung künftiger Generationen von Sternen und Planeten zur Verfügung stehen, bevor sie bei der Entstehung junger Sterne aufgeheizt werden. Die Eiskörner wachsen, wenn sie in die protoplanetaren Scheiben aus Gas und Staub um diese jungen Sterne stürzen. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen können somit alle möglichen Eismoleküle untersuchen, die in zukünftige Exoplaneten eingebaut werden können.

„Unsere Ergebnisse geben Einblicke in die Phase der ersten, dunklen Chemie, während der sich auf den interstellaren Staubkörnern Eis bildet, welche dann zu den zentimetergroßen Brocken heranwachsen, aus denen sich in den Scheiben schließlich die Planeten bilden“, sagte Melissa McClure, Astronomin am Leiden Observatory. Sie leitet das Beobachtungsprogramm und ist Hauptautorin der Veröffentlichung, in der dieses Ergebnis beschrieben wird.

Die Beobachtungen wurden mit drei Instrumenten am JWST durchgeführt, darunter MIRI, das gemeinsam von der NASA, der ESA und einem europäischen Konsortium entwickelt wurde. Die Leidener Gruppe mit Prof. Ewine van Dishoeck hat auch Eisspektren im Labor gemessen, um sie mit den Beobachtungsdaten zu vergleichen und so die verschiedenen Eissorten zu identifizieren. „Die Qualität und Empfindlichkeit dieser frühen JWST-Daten übertrifft sogar noch unsere Erwartungen: Wir sind in der Lage, Quellen zu beobachten, die tausendmal schwächer sind, als es bisher möglich war. Wir finden sogar die 13-C-Version von CO₂-Eis“, betont Prof. van Dishoeck, die auch Mitglied des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) ist.

Diese Forschung ist Teil des „Ice Age“-Projekts, eines der 13 „Early Release“-Wissenschaftsprogramme des James-Webb-Teleskops. Diese Beobachtungen sollen die Möglichkeiten mit dem JWST aufzeigen und der astronomischen Gemeinschaft demonstrieren, wie man das Beste aus den Instrumenten herausholen kann. Das IceAge-Team hat bereits weitere Beobachtungen geplant und hofft, den Weg des Eises von seiner Entstehung bis zur Bildung von Eiskometen nachvollziehen zu können.

„Es ist äußerst spannend, die Zusammensetzung der Eismäntel um Staubkörnchen in den dunklen und dichten Regionen interstellarer Wolken zu enthüllen“, sagt Prof. Paola Caselli, Direktorin des Zentrums für Astrochemische Studien am MPE, die ebenfalls an der Studie beteiligt war. Diese Regionen sind die Vorläufer von Planetensystemen wie dem unseren. Zumindest ein Teil dieses Eises, einschließlich der komplexen organischen Moleküle, die Vorläufer präbiotischer Spezies sind, wird in zukünftige Planetensysteme eingebaut. „Wir können nun – dank JWST und IceAge – Beobachtungen von interstellarem Eis quantitativ mit unseren detaillierten chemischen Modellen für Gas und Staub vergleichen. Die Oberflächenchemie ist am wenigsten verstanden, daher sind diese Daten so wertvoll“, schließt Caselli.

Originalveröffentlichung:
M. K. McClure et al.
An Ice Age JWST inventory of dense molecular cloud ices
Nature, 23 Jan 2023
dx.doi.org/10.5281/zenodo.7501239
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01875-w

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Universität Heidelberg 14. Dezember 2022.

14. Dezember 2022 – Mit den Beobachtungen einer weit entfernten und sehr hellen Galaxie hat ein internationales Forschungsteam mithilfe des James Webb Space Telescope (JWST) einen Galaxienhaufen und zugleich eines der dichtesten bekannten Gebiete der Galaxienentstehung im frühen Universum entdeckt. Die Beobachtungen mit dem neuen Weltraumteleskop enthüllten einen Galaxien-Protohaufen, der sich im Umfeld eines Quasars bildet. Dieser noch in Entstehung begriffene Galaxienhaufen könnte Aufschluss darüber geben, wie sich die Galaxien im frühen Universum zum heute sichtbaren kosmischen Netz entwickelt haben. Geleitet wurden die Forschungsarbeiten von Dr. Dominika Wylezalek, Wissenschaftlerin am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH).

Ziel der Untersuchungen war eine Galaxie mit einem sehr aktiven und hellen Kern, der von einem extrem massereichen Schwarzen Loch im Herzen der Galaxie gespeist wird. Von einem solchen als Quasar bezeichneten Kern wird angenommen, dass er einen sogenannten galaktischen Wind auslösen kann, der Gas aus der Heimatgalaxie verdrängt. Diese Ausflüsse von Materie könnten damit die Entstehung anderer Sterne und Galaxien beeinflussen. Das internationale Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Wylezalek hat den Quasar SDSS J165202.64+172852.3 – kurz J1652 – mit dem James Webb Space Telescope beobachtet. Er existierte bereits im sehr frühen Universum, das heißt vor etwa 11,5 Milliarden Jahren. Sein auffälliges rotes Licht wurde durch seine große Entfernung und die Ausdehnung des Universums in den Infrarotbereich verschoben. Daher eignet sich der Quasar J1652 ganz besonders für Beobachtungen mit dem für diesen Spektralbereich konzipierten James-Webb-Teleskop.

In früheren Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass schnelle Gasausflüsse von dem Quasar angetrieben werden; zudem wurden Hinweise auf das Verschmelzen des Quasars mit einer Nachbargalaxie gefunden. Überraschenderweise bestätigen die Beobachtungen mit dem JWST, dass nicht nur eine einzige Galaxie, sondern mindestens drei weitere mit hoher Geschwindigkeit und sehr dicht gepackt umherwirbeln. In der Wissenschaft wird ein derartiges System auch als Galaxien-Protohaufen bezeichnet – ein Galaxienhaufen in der Phase der Entstehung. Die Objekte im direkten Umfeld des Quasars wurden im infraroten Spektralbereich analysiert. Sie deuten nach Angaben von Dr. Wylezalek darauf hin, dass J1652 Teil eines dichten Knotens der Galaxienentstehung ist. Erst die hervorragenden bildgebenden und spektroskopischen Fähigkeiten des James Webb Space Telescope erlauben diese Schlussfolgerung. „Es gibt nur wenige Galaxien-Protohaufen, die zu diesem frühen Zeitpunkt bekannt sind. Sie sind schwer zu finden und nur sehr wenige hatten seit dem Urknall Zeit, sich zu bilden. Unsere Entdeckung könnte dabei helfen, zu verstehen, wie sich Galaxien in dichten Umgebungen entwickeln“, so die Astrophysikerin. „Wir werfen einen Blick in die frühesten Entwicklungsphasen dieser Galaxien.“

Das internationale Forscherteam glaubt, eines der dichtesten bekannten Gebiete der Galaxienentstehung im frühen Universum entdeckt zu haben – aufgrund der Geschwindigkeit, mit der drei bestätigte Galaxien einander umkreisen, und der Dichte, mit der sie in die Region um den Quasar „gepackt“ sind. „Selbst ein dichter Knoten aus Dunkler Materie reicht nicht aus, um die von uns beobachteten Eigenschaften zu erklären. Wir nehmen an, dass wir eine Region sehen, in der zwei Knoten aus Dunkler Materie miteinander verschmelzen“, sagt die Wissenschaftlerin, die an der Universität Heidelberg eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe an dem zum ZAH gehörenden Astronomischen Rechen-Institut leitet. Von Folgebeobachtungen erhofft sie sich Aufschluss darüber, wie solche dichten, chaotischen Galaxienhaufen entstehen und wie sie sich zum heute sichtbaren kosmischen Netz entwickelt haben. Mit ihrem Team, zu dem auch Postdoktorandin Dr. Caroline Bertemes gehört, will Dr. Wylezalek zunächst herausfinden, welchen Einfluss galaktische Winde und die von dem aktiven, supermassiven Schwarzen Loch in seinem Herzen erzeugten Quasar-Rückkopplungen auf den Protohaufen ausüben.

An den Forschungsarbeiten waren neben dem Heidelberger Team auch weitere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland sowie aus Frankreich, Großbritannien, Mexiko und den USA beteiligt. Die Beobachtungen mit dem James Webb Space Telescope fanden im Rahmen des sogenannten Early Release Science-Programms innerhalb der ersten fünf Monate nach Beginn des wissenschaftlichen Betriebs des JWST statt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Daimler und Benz Stiftung und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt haben die Arbeiten an der Universität Heidelberg unterstützt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht.

Originalpublikation:
D. Wylezalek, A. Vayner, D. S. N. Rupke, N. L. Zakamska, S. Veilleux, Y. Ishikawa, C. Bertemes, W. Liu, J. K. Barrera-Ballesteros, H.-W. Chen, A. D. Goulding, J. E. Greene, K. N. Hainline, F. Hamann, T. Heckman, S. D. Johnson, D. Lutz, N. Lützgendorf, V. Mainieri, R. Maiolino, N. P. H. Nesvadba, P. Ogle, E. Sturm: First Results from the JWST Early Release Science Program Q3D: Turbulent Times in the Life of a z ∼ 3 Extremely Red Quasar Revealed by NIRSpec IFU, The Astrophysical Journal Letters (15 November 2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac98c3, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac98c3, pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac98c3/pdf.

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 22. November 2022.

22. November 2022 – Die detaillierten Infrarotspektren, die mit drei der vier JWST-Instrumente aufgenommen wurden, enthüllen die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre so detailliert wie nie zuvor, geben erste Anzeichen von Photochemie, liefern Informationen über die Wolkendecke des Planeten und erlauben sogar Rückschlüsse auf die Entstehung des Himmelskörpers. Die Ergebnisse zeigen ganz allgemein die Leistungsfähigkeit dieser Art von Beobachtungen mit dem JWST auf. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Informationen über Wolken, ein nahezu vollständiges chemisches Inventar, das Hinweise auf die Entstehungsgeschichte des Planeten gibt, erstmals Daten zur Photochemie – und das sind nur einige der Highlights der jetzt veröffentlichten Beobachtungen des Exoplaneten WASP-39b mit dem James Webb Teleskop (JWST). „Daten wie diese sind ein Wendepunkt“, urteilt Natalia Batalha (University of California in Santa Cruz), die das Beobachtungsprogramm koordinierte, das zu den neuen Ergebnissen führte. Die neuen Ergebnisse einer Gruppe von Astronom*innen, zu der auch MPIA-Direktorin Laura Kreidberg gehört, sind eine Art Testlauf für jene Methoden, mit denen Astronom*innen hoffen, in Zukunft auch einmal Leben auf fernen Planeten nachweisen zu können – eine Aufgabe für einen Nachfolger des JWST.

Die Leistungsfähigkeit des JWST auf die Probe stellen
Der Start des JWST am 25. Dezember 2021 hat die Gemeinschaft der Astronom*innen weltweit elektrisiert. Die ersten Bilder und Spektren, die Mitte Juli 2022 veröffentlicht wurden, schraubten die Erwartungen noch zusätzlich in die Höhe. Sie zeigten eindrücklich, um wieviel besser das Leistungsvermögen des JWST im Vergleich zu den bis dahin verfügbaren Teleskopen im gleichen Wellenlängenbereich ist: wie detailliert das Teleskop in der Lage ist, einige der am weitesten entfernten Objekte im Universum abzubilden, und wie hoch die Datenqualität für Helligkeitsmessungen und die Bestimmung astronomischer Spektren ist (also für die regenbogenartigen Zerlegungen des Lichts astronomischer Objekte, die eine Fülle von Informationen über Bewegungen, chemische Zusammensetzung und Temperatur enthalten).

Für Astronom*innen, die ihre eigenen Beobachtungen planen, waren die in diesen ersten Bildern enthaltenen Informationen natürlich nicht annähernd ausreichend. Für sie wurde JWST unmittelbar danach auf Herz und Nieren geprüft, und zwar in den ersten fünf Monaten des wissenschaftlichen Betriebs von JWST in Form der „Early Release Science Programs“. Das sind 13 Beobachtungsprogramme, die eine repräsentative Auswahl an Zielen von Objekten des Sonnensystems bis hin zu den entferntesten Galaxien abdecken und speziell so ausgewählt wurden, dass sie beobachtenden Astronomen alle Informationen liefern, die sie benötigen, um für spätere eigene Beobachtungsvorhaben die Instrumente von JWST optimal zu nutzen. Die Daten werden dementsprechend direkt nach Abschluss der Beobachtungen an die astronomische Gemeinschaft weitergegeben. Ergänzt werden sie durch „Rezeptbücher“ und gezielte Auswertungen, die zukünftige Beobachtungsplanung erleichtern sollen.

Mit allen Instrumenten auf WASP-39b
In einer Reihe von fünf Artikeln, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden, können sich Astronom*innen im Rahmen dieses Programms jetzt von der Leistungsfähigkeit des JWST bei der Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten überzeugen – Planeten also, die um andere Sterne kreisen als um die Sonne. Die Beobachtungen sind Teil des von Batalha geleiteten Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program und konzentrieren sich auf den Planeten WASP-39b. Der Planet ähnelt von der Masse her dem Saturn in unserem Sonnensystem (ob er Ringe besitzt, wissen wir freilich nicht), wenn auch mit aufgeblähterer Atmosphäre; er umkreist einen Stern, der nur etwas weniger Masse hat als die Sonne. Das gesamte System befindet sich in einer Entfernung von etwa 700 Lichtjahren von der Erde.

Für die jetzt veröffentlichten Beobachtungen sind sogenannte Exoplanetentransits entscheidend. Ein solcher Transit findet statt, wenn ein Planet, der einen fernen Stern umkreist, aus der Sicht von Beobachter*innen hier auf der Erde genau zwischen jenem Stern und uns vorbeizieht. Exoplaneten sind normalerweise zu weit entfernt, als dass wir bei solcher Gelegenheit im Detail sehen könnten, wie die kleine dunkle Scheibe des Planeten vor der hellen Scheibe des Sterns vorbeizieht. Was man jedoch beobachten kann, sind Helligkeitsveränderungen. Schließlich bewegt sich der Planet ja beim Transit vor seinen Stern und schattet damit einen Teil des Sternenlichts ab. Die Astronom*innen nutzten das JWST, um von Mitte bis Ende Juli 2022 vier verschiedene Transits von WASP-39b zu beobachten. Dabei kamen drei der vier wissenschaftlichen Instrumente des Weltraumteleskops zum Einsatz: NIRCam und NIRISS für jeweils einen Transit, und außerdem noch zwei Transits, die mit zwei verschiedenen Betriebsarten von NIRSpec beobachtet wurden. Als Teil eines europäischen Konsortiums hat das MPIA in Heidelberg einen direkten Bezug zu der Hardware, die hier zum Einsatz kam: die Mechanismen der Filter- und Gitterräder, mit denen NIRSpec das Licht in die verschiedenen Wellenlängen aufteilt, wurden am MPIA gefertigt.

Transit-Spektroskopie
Bei den Helligkeitsschwankungen gibt es eine zusätzliche Besonderheit. WASP-39 b besitzt eine vergleichsweise dichte Atmosphäre. Könnte man die Details der Planetenscheibe während eines Transits vor dem Hintergrund der Sternscheibe sehen, würde man deswegen die dunkle Planetenscheibe sehen, umgeben von einem dünnen farbigen Ring, mit dem sich das durch die Planetenatmosphäre gefilterte Sternenlicht bemerkbar macht.

In der farbigen Zone ist die Abschwächung des Sternenlichts farbabhängig, oder physikalisch ausgedrückt: Sie hängt von der Wellenlänge des Lichts ab, bei der wir das System beobachten. Würde die Detailaufnahme (die wir in Wirklichkeit wie gesagt nicht zur Verfügung haben) beispielsweise eine dunkle Scheibe zeigen, die von einem dünnen blauen Ring der Planetenatmosphäre umgeben ist, würde das schließlich bedeuten, dass blaues Licht die Atmosphäre durchdringen könnte, rotes Licht aber nicht so gut – und entsprechend wäre die Abschwächung des Sternenlichts bei der Beobachtung durch einen Rotfilter stärker ausgeprägt als durch einen Blaufilter.

In Studien wie den hier beschriebenen beobachtet JWST den Transit nicht durch Filter, sondern setzt stattdessen Spektroskopie ein, um den Transit gleich in jeder „Elementarfarbe“, anders gesagt: in jedem Wellenlängenbereich separat zu beobachten. Dabei wird für einen breiten Bereich von Infrarot-Wellenlängen dokumentiert, wie stark die Helligkeit bei jeder Wellenlänge während des Transits zurückgeht („Transittiefen“).

Eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre
Durch den Vergleich solcher spektroskopischen Beobachtungen mit Modellen der Planetenatmosphäre gewannen die Astronom*innen eine Fülle von Informationen. Die erste war eine detaillierte Auflistung bestimmter Moleküle, die in der Atmosphäre vorhanden sind. Im August hatte das Team bereits den Nachweis von Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b veröffentlicht, den ersten sicheren Nachweis dieses Moleküls in einer Exoplanetenatmosphäre.

Die jetzt veröffentlichten Arbeiten fügen eine Reihe von entscheidenden weiteren Informationen hinzu. Eine damals noch rätselhafte Auffälligkeit im Spektrum entpuppte sich als Schwefeldioxid – wiederum der erste Nachweis dieser Art in einer Exoplanetenatmosphäre. Damit lässt sich erstmals die Photochemie von Exoplaneten beobachten: Schwefeldioxidmoleküle, analog zum Ozon in der Erdatmosphäre, bilden sich, wenn die Außenbereiche der Exoplanetenatmosphäre mit hochenergetischen Photonen des Sternes wechselwirken. Dass WASP-39b so nahe an seinem Stern liegt (ein Achtel der Entfernung von Merkur zu unserer Sonne!), macht ihn zu einem idealen Labor zur Erforschung dieser Art von Reaktionen.

Hinweise auf die Planetenentstehung
Einige der Informationen lassen sogar Rückschlüsse auf die Entstehung des Planeten zu. Insbesondere das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff, Kalium zu Sauerstoff und Schwefel zu Wasserstoff deuten auf eine Entstehungsgeschichte hin, bei der kleinere Planetenvorstufen („Planetesimale“) miteinander kollidiert sind und sich letztlich zu dem heutigen, recht großen Planeten zusammengefunden haben. Insbesondere das Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis, konkret dass Sauerstoff viel häufiger vorkommt als Kohlenstoff, deutet darauf hin, dass WASP-39b viel weiter entfernt von seinem Stern entstand und erst später auf seine jetzige, viel kleinere Umlaufbahn umgezogen ist.

Der Vergleich von Beobachtungen und Modellen gibt außerdem Aufschluss über die Wolken des Planeten: Es handelt sich um eine aufgelockerte Ansammlung von Wolken – die freilich bei den auf WASP-39b herrschenden hohen Temperaturen nicht aus Wasser, sondern aus Substanzen wie Sulfiden und Silikaten bestehen – und nicht um eine geschlossene Wolkendecke.

Hilfestellung für zukünftige Beobachtungen
Die Beobachtungen haben den Astronomen bereits einen detaillierteren Blick auf die Atmosphäre eines Exoplaneten ermöglicht als je zuvor. Das weckt Erwartungen auf viele weitere, zukünftige Entdeckungen mit ähnlichen Beobachtungen. Und genau solche Entdeckungen soll das hier durchgeführte Programm schließlich auch fördern. Deswegen stellen die Astronomen ein Rezept für die Datenanalyse ihres Datensatzes zur Verfügung und dokumentieren ausführlich ihre Erfahrungen mit dem JWST in diesem speziellen Beobachtungsmodus. Das sollte es anderen Beobachtern ermöglichen, das JWST ebenfalls für Transitbeobachtungen dieser Art zu nutzen.

MPIA-Direktorin Laura Kreidberg, die Mitglied des Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program ist, betont, dass dies tatsächlich erst der Anfang ist: „Diese frühen Beobachtungen sind ein Vorgeschmack auf all die weiteren erstaunlichen wissenschaftlichen Ergebnisse, die mit dem JWST zu erwarten sind. Wir haben das Teleskop auf Herz und Nieren geprüft und seine Leistungsfähigkeit genau getestet. Die Beobachtungen liefen nahezu fehlerfrei – noch besser als wir gehofft hatten.“

Auf lange Sicht: Die Suche nach Leben auf anderen Planeten
Die aktuellen Beobachtungen sind außerdem für eines der größten zukünftigen Ziele der beobachtenden Astronomie von Bedeutung: den Nachweis von Spuren von Leben auf Exoplaneten. Den derzeitigen Planungen nach dürfte die Entdeckung von Leben auf einem Exoplaneten vom Nachweisprinzip her sehr ähnlich ablaufen wie die hier beschriebene Forschung: Detaillierte Transitbeobachtungen durch ein Weltraumteleskop, das ein Nachfolger von JWST ist, würden genutzt, um Daten über die Atmosphäre des Exoplaneten zu gewinnen. Ein Vergleich mit Atmosphärenmodellen würde schließlich zeigen, dass eine bestimmte Kombination von Eigenschaften – z. B. ein Überschuss an atmosphärischem Sauerstoff – auf das Vorhandensein bestimmter Arten von Lebewesen auf diesem Planeten hinweist.

Die hier beschriebenen Beobachtungen sind damit zum einen ein Testlauf für die Beobachtungstechniken, die bei dieser Art der Suche nach Leben auf anderen Planeten genutzt werden würden. Darüber hinaus liefern sie aber auch wichtige Informationen für ein umfassenderes Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten, und ein solches deutlich besseres Verständnis wird dringend notwendig sein, um bei der Suche nach Leben zwischen der Chemie von Exoplaneten mit und ohne Beteiligung lebender Organismen unterscheiden zu können.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebene Arbeit wurde in der Zeitschrift Nature als fünfteilige Artikelserie veröffentlicht: Eva-Maria Ahrer et al., „JWST Early Release Science: Exoplanet transit spectroscopy with NIRCam“; Lili Alderson et al., „JWST Early Release Science: Exoplanet Transit Spectroscopy with NIRSpec“; Zafar Rustamkulov et al., „The Broadband Transmission Spectrum of WASP-39b from JWST NIRSpec PRISM Observations“; Adina D. Feinstein et al., „JWST Early Release Science: Exoplanet transit spectroscopy with NIRISS-SOSS“; Shang-Min Tsai et al., „Direct Evidence of Photochemistry in an Exoplanet Atmosphere“.

Die beteiligten MPIA-Forscher*innen sind Laura Kreidberg, Maria Steinrück, Sebastian Zieba und Thomas Mikal-Evans, als Teil des Teams für das Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program.

Originalpublikationen:
Eva-Maria Ahrer et al., „JWST Early Release Science: Exoplanet transit spectroscopy with NIRCam“
Lili Alderson et al., „JWST Early Release Science: Exoplanet Transit Spectroscopy with NIRSpec“
Zafar Rustamkulov et al., „The Broadband Transmission Spectrum of WASP-39b from JWST NIRSpec PRISM Observations“
Adina D. Feinstein et al., „JWST Early Release Science: Exoplanet transit spectroscopy with NIRISS-SOSS“
Shang-Min Tsai et al., „Direct Evidence of Photochemistry in an Exoplanet Atmosphere“
alle: Nature (2022)

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• JWST – James Webb Space Telescope

Der Beitrag Meilenstein für Weltraumteleskop JWST: bessere Exoplaneten-Atmosphären-Beobachtungen als je zuvor erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Bern 25. August 2022.

25. August 2022 – Aufgrund seiner Rolle bei der Regulierung des Klimas ist Kohlendioxid ein zentraler Bestandteil der Erdatmosphäre. Das Molekül in der Atmosphäre von fernen Exoplaneten eindeutig detektieren zu können, ist daher ein essenzieller Schritt bei der Suche nach lebensfreundlichen Welten. Genau dies ist einem internationalen Team von Forschenden, mit Beteiligung der Universität Bern, der Universität Genf und dem Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS dank Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop gelungen.

Das Teleskop wird gemeinsam von der Europäischen Weltraumorganisation ESA, der Amerikanischen Weltraumbehörde NASA, und der Kanadischen Weltraumorganisation CSA betrieben und hat im Juni 2022 seine wissenschaftliche Arbeit aufgenommen. Nun werden erste Resultate im Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Ein aufgeblähter Gasriese filtert Sternenlicht
Der Planet WASP-39b ist ein heißer Gasriese, der einen sonnenähnlichen Stern in 700 Lichtjahren Entfernung von der Erde umkreist. Im Gegensatz zu den Gasriesen in unserem Sonnensystem umkreist WASP-39b seinen Stern in einem engen Orbit – in nur etwa einem Achtel der Entfernung zwischen Sonne und Merkur – und benötigt für einen Umlauf nur etwas mehr als vier Erdentage. Durch die intensive Sonneneinstrahlung wird der Planet auf etwa 900°C aufgeheizt. «Die Hitze bewirkt, dass sich die Atmosphäre des Planeten ausdehnt und so ist WASP-39b ein Drittel grösser als Jupiter, der größte Gasriese unseres Sonnensystems.», erklärt Monika Lendl, Mitautorin der Studie, Astronomieprofessorin an der Universität Genf und NFS PlanetS-Mitglied.

Wenn ein Planet direkt vor seinem Stern vorbeizieht, scheint ein Teil des Sternenlichts durch die Atmosphäre des Planeten, bevor es das Teleskop erreicht. «Die Atmosphäre filtert einige Farben stärker heraus als andere, je nachdem, woraus sie besteht, wie dick sie ist und ob es in ihr Wolken gibt oder nicht», so Lendl. Mit dem James Webb Teleskop können Forschende das Licht in seine Farben aufschlüsseln, um charakteristische «Fingerabdrücke» verschiedener Gase zu identifizieren und die Zusammensetzung der Atmosphäre zu bestimmen.

Erster eindeutiger Nachweis von Kohlendioxid auf einem Exoplaneten
Mit Hilfe des Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) des Webb-Teleskops konnte das Team von Forschenden den Fingerabdruck von Kohlendioxid in dem Licht, das die Atmosphäre von WASP-39b durchquerte, nachweisen. «Gleich beim ersten Anblick der Daten war klar, dass wir es mit einer spektakulären Entdeckung zu tun haben», sagt Dominique Petit dit de la Roche, Forscherin an der Universität Genf, Mitautorin der Studie und NFS PlanetS Mitglied. «Zum ersten Mal wurde Kohlendioxid eindeutig auf einem Planeten außerhalb des Sonnensystems nachgewiesen.»

«Die Entdeckung eines so deutlichen Signals von Kohlendioxid auf WASP-39b ist ein gutes Vorzeichen. Sowohl für die Entdeckung von Atmosphären auf kleineren, erdgroßen Planeten als auch für die Messung der Häufigkeit von weiteren Gasen wie Wasser und Methan», sagte Natalie Batalha von der University of California in Santa Cruz, die Leiterin des internationalen Forschungsteams, das die Beobachtungen durchführte.

Das Verständnis der Zusammensetzung der Atmosphäre eines Planeten erlaubt auch Einblicke in den Ursprung des Planeten und seine Entwicklung. «Kohlendioxidmoleküle sind gute Indikatoren für die Geschichte der Planetenentstehung», sagt Elspeth Lee, Mitautorin der Studie, Ambizione-Stipendiatin an der Universität Bern und Mitglied des NFS PlanetS.

«Der eindeutige Nachweis von Kohlendioxid in WASP-39b gibt uns Aufschluss über den Bestand an Kohlenstoff- und Sauerstoffmolekülen in der Atmosphäre. Dadurch erhalten wir eine Vorstellung von den vielfältigen chemischen Prozessen, die in Atmosphären unter solch extremen Bedingungen ablaufen, sowie von dem möglichen Gesteins- und Gasmaterial, das der Planet während seiner Entstehungsphasen aufgenommen haben könnte», so Lee weiter.

Early Release Science
Die NIRSpec-Beobachtung von WASP-39b ist nur ein Teil eines großen Beobachtungsvorhabens mit dem James Webb Teleskop, das weitere Beobachtungen von WASP-39b sowie Beobachtungen von zwei anderen Planeten umfasst. Die Beobachtungen sind Teil des sogenannten Early Release Science-Programms, das entwickelt wurde, um der internationalen Forschungsgemeinschaft so schnell wie möglich wissenschaftliche Daten vom James Webb Teleskop zur Verfügung zu stellen und dadurch die bestmögliche wissenschaftliche Nutzung des Weltraumteleskops sicher zu stellen.

Angaben zur Publikation
JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team: Identification of carbon dioxide in an exoplanet atmosphere, Accepted for publication in Nature https://arxiv.org/abs/2208.11692

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• JWST – James Webb Space Telescope

Der Beitrag James-Webb-Weltraumteleskop entdeckt Kohlendioxid in Exoplaneten-Atmosphäre erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESA 2. Juni 2022.

2. Juni 2022 – Als größtes und komplexestes Observatorium, das jemals ins All gesendet wurde, hat Webb eine sechsmonatige Vorbereitungszeit hinter sich, bevor es mit der wissenschaftlichen Arbeit beginnen kann, seine Instrumente auf die Weltraumumgebung zu kalibrieren und seine Spiegel auszurichten. Dieser sorgfältige Prozess, ganz zu schweigen von den Jahren der Entwicklung neuer Technologien und der Missionsplanung, wird zu den ersten Bildern und Daten führen: Sie demonstrieren die volle Leistungsfähigkeit von Webb, das bereit ist, seine wissenschaftliche Mission zu beginnen und das infrarote Universum offenzulegen.

„Diese erste Veröffentlichung wird ein bemerkenswerter Erfolg für die Mission sein, der uns einen ersten Eindruck davon vermittelt, wie das James-Webb-Teleskop unseren Blick auf das Universum verändern wird“, so Chris Evans, ESA-Webb-Projektwissenschaftler. „Wir freuen uns darauf, diese Bilder mit ganz Europa gemeinsam zu sehen.“

Das James-Webb-Teleskop hob am 25. Dezember 2022 mit einer Ariane-5-Rakete vom europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana zu seiner spannenden Mission ab, um die Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln. Webb, eine Partnerschaft der NASA, der ESA und der kanadischen Weltraumbehörde (CSA), soll Antworten auf offene Fragen über das Universum geben und bahnbrechende Entdeckungen in allen Bereichen der Astronomie machen.

Die wichtigsten Beiträge der ESA zur Mission sind: das NIRSpec-Instrument, die Montage der optischen Bank des MIRI-Instruments, die Bereitstellung der Startdienste und das Personal zur Unterstützung des Missionsbetriebs. Im Gegenzug zu diesen Beiträgen erhalten die europäischen Wissenschaftler einen Anteil von mindestens 15 % der gesamten Beobachtungszeit, ähnlich wie beim Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA.

Hinter den Kulissen: Erstellung der ersten Bilder von Webb
„Die Veröffentlichung der ersten Farbbilder von Webb wird für uns alle ein einzigartiger Moment sein. Wir werden innehalten und einen Anblick bewundern, den die Menschheit noch nie zuvor gesehen hat“, sagte Eric Smith, Webb-Programmwissenschaftler am Hauptsitz der NASA in Washington. „Diese Bilder werden der Gipfel von jahrzehntelanger Hingabe, Talent und Träumen sein – aber sie werden auch ein neuer Anfang sein.“

Die Entscheidung, was Webb als Erstes in Augenschein nehmen soll, war ein mehr als fünf Jahre dauerndes Projekt im Rahmen einer internationalen Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA, der CSA und dem Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, USA, das für die wissenschaftlichen Arbeiten und den Betrieb von Webb zuständig ist.

„Unsere Ziele für die ersten Bilder und Daten von Webb sind sowohl die Präsentation der leistungsstarken Instrumente des Teleskops als auch eine Vorschau auf die kommende wissenschaftliche Mission“, sagte der Astronom Klaus Pontoppidan, Webb-Projektwissenschaftler am STScI. „Sie werden den Astronomen und der Öffentlichkeit mit Sicherheit einen lang erwarteten „Wow-Effekt“ bescheren.“

Sobald jedes der Instrumente des Teleskops kalibriert und getestet ist und von den wissenschaftlichen und technischen Teams grünes Licht erhalten hat, werden die ersten Bilder und spektroskopischen Beobachtungen durchgeführt. Das Team wird eine Liste von Zielen abarbeiten, die von einem internationalen Komitee vorausgewählt und nach Prioritäten geordnet wurden, um die leistungsstarken Fähigkeiten von Webb zu testen. Anschließend wird das Produktionsteam die Daten von den Wissenschaftlern des Webb-Instruments erhalten und sie zu Bildern für Astronomen und die Öffentlichkeit verarbeiten.

Was werden wir sehen?
Die ersten Farbbilder von Webb werden schon seit langem sorgfältig geplant, das neue Teleskop ist jedoch so leistungsstark, dass es schwierig ist, genau vorherzusagen, wie die ersten Bilder aussehen werden.

„Natürlich gibt es Dinge, die wir erwarten und zu sehen hoffen, aber mit einem neuen Teleskop und diesen neuen Infrarotdaten in hoher Auflösung werden wir es erst begreifen, wenn wir es gesehen haben“, sagte Joseph DePasquale, der leitende Entwickler für wissenschaftliche Visualisierungen am STScI.

Erste Ausrichtungsbilder haben bereits die beispiellose Schärfe der Infrarotansicht von Webb gezeigt. Diese neuen Bilder werden jedoch die ersten in Farbe sein und die ersten, mit denen die vollen wissenschaftlichen Fähigkeiten von Webb gezeigt werden können. Zusätzlich zu den Bildern wird Webb auch spektroskopische Daten erfassen – detaillierte Informationen, die Astronomen im Licht lesen können.

Das erste Bildmaterialpaket wird die wissenschaftlichen Themen hervorheben, die die Mission inspiriert haben und die im Mittelpunkt ihrer Arbeit stehen werden: das frühe Universum, die Entwicklung von Galaxien im Laufe der Zeit, der Lebenszyklus von Sternen und andere Welten. Alle Daten der Inbetriebnahme von Webb – die Daten, die während der Ausrichtung des Teleskops und der Vorbereitung der Instrumente aufgenommen wurden – werden ebenfalls öffentlich zugänglich gemacht.

Was kommt als Nächstes?
Wissenschaft! Nach der Aufnahme der ersten Bilder werden die wissenschaftlichen Beobachtungen von Webb beginnen, um die wichtigsten wissenschaftlichen Themen der Mission weiter zu erforschen. Teams wetteifern schon um Zeit für die Nutzung des Teleskops, was die Astronomen den ersten „Zyklus“ oder das erste Jahr der Beobachtungen nennen. Die Beobachtungen werden sorgfältig geplant, um die Zeit des Teleskops so effizient wie möglich zu nutzen.

Diese Beobachtungen markieren den offiziellen Beginn des allgemeinen wissenschaftlichen Betriebs von Webb – die Arbeit, für die es entwickelt wurde. Astronomen werden Webb nutzen, um das infrarote Universum zu beobachten, die gesammelten Daten zu analysieren und wissenschaftliche Arbeiten über ihre Entdeckungen zu veröffentlichen.

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• JWST – James Webb Space Telescope

Der Beitrag ESA: Erste Bilder vom James-Webb-Weltraumteleskop erwartet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Airbus Defence and Space 9. Mai 2022.

Baltimore, 9. Mai 2022 – Der Nahinfrarot-Spektrograf NIRSpec ist ein Schlüsselinstrument des James Webb Space Telescopes. Es hat alle Funktionstests, einschließlich seiner Untersysteme und Mechanismen, erfolgreich bestanden und ist damit der Lieferung seiner ersten Ergebnisse einen Schritt näher gekommen.

Das NIRSpec-Inbetriebnahmeteam, dem auch Airbus-Experten angehören, führte die Tests durch, während Webb auf kryogene Temperaturen heruntergekühlt wird, so dass es ohne Infrarot-Störungen, die seine Beobachtungen beeinträchtigen könnten, arbeiten kann. Das Teleskop nähert sich seiner Betriebstemperatur von etwa -235 °C (38 K). Die erfolgreichen Tests waren ein äußerst wichtiger Meilenstein bei der Inbetriebnahme von NIRSpec.

„Das Webb-Teleskop wird einen Wendepunkt in der Art und Weise darstellen, wie wir unser Universum sehen“ sagte Jean Marc Nasr, Leiter von Airbus Space Systems. „Unsere Beiträge zu den Instrumenten NIRSpec und MIRI stellen die Spitze der Technologie in der modernen Astronomie dar. Wir bei Airbus bringen unsere unübertroffene Erfahrung ein und sind ein wichtiger Partner bei den künftigen Entdeckungen der Webb-Mission.“

Seit dem Start von Webb haben Teammitglieder von Airbus-Standorten in München und Friedrichshafen dessen Abkühlphase vom Mission Operations Center im Space Telescope Science Institute in Baltimore (Maryland, USA) aus ständig überwacht.

Die nächste Phase der Inbetriebnahme wird zwei Monate dauern und umfasst Leistungstests und Kalibrierung, die jetzt beginnen, da die 18 Segmente des Primärspiegels nun ausgerichtet sind. Das Airbus-Ingenieurteam wird die Leistungsprüfung und Kalibrierung weiterhin unterstützen. Sobald der einwandfreie Betrieb bestätigt ist, kann NIRSpec beginnen, mit seinen Beobachtungen Geschichte zu schreiben.

NIRSpec ist so präzise, dass es die Infrarotsignatur eines brennenden Streichholzes auf dem Mond erkennen könnte. Es wird erwartet, dass es erstaunliche Fortschritte in der Infrarot-Weltraumforschung erzielen wird. Es wird die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien in unserem Universum untersuchen, als dieses erst einige hundert Millionen Jahre alt war. NIRSpec wird auch in der Lage sein, die Atmosphäre von Exoplaneten zu untersuchen, also von Planeten, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen. Insbesondere wird es nach der Signatur von Schlüssel-Molekülen wie Wasser suchen.

Zusammen mit NIRSpec und MIRI (Mid-InfraRed Instrument, ebenfalls mit Airbus-Beteiligung) wird Webb das infrarote Licht aus dem Weltraum in noch nie dagewesener Detailtreue beobachten und so einen Blick in die Vergangenheit werfen, 13,5 Milliarden Jahre zurück, um die ersten Galaxien nach dem Urknall oder die Entstehung von Planetensystemen in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, zu beobachten. Webb ist eine echte Zeitmaschine, die die Grenzen unseres Wissens erweitern und das Universum wie nie zuvor erforschen wird.

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• JWST – James Webb Space Telescope

Der Beitrag Airbus: Mit NIRSpec wird Webb ein neues Universum enthüllen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR.

25. Dezember 2021 – Am 25. Dezember 2021 um 9.20 Uhr Ortszeit (13.20 Uhr Mitteleuropäischer Zeit, MEZ) ist das James Webb Space Telescope – kurz JWST – vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou (Französisch-Guyana) zu seiner Reise zum 1,5 Millionen Kilometer entfernten Lagrange-Punkt 2 aufgebrochen. „James Webb ist das bislang größte und auch teuerste Weltraumteleskop aller Zeiten, das nun mit einer Ariane-5-Oberstufe ‚Made in Germany‘ auf seinen weiten Weg in die Tiefen des Weltraums gestartet ist. Zudem haben MIRI (Mid Infrared Instrument) und NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) – zwei der vier Instrumente an Bord – deutsche Anteile: Das Nahinfrarot-Instrument NIRSpec wurde von Airbus in Ottobrunn und Friedrichshafen gebaut. Mit diesem Instrument wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der ganzen Welt die ‚Geburtsstunden‘ des Universums analysieren. NIRSpec soll vor allem die Strahlung der ersten Galaxien aufspüren, die sich kurz nach dem Urknall gebildet haben. „Das James Webb-Teleskop wird damit Antworten auf bislang offene Fragen liefern und uns in die Lage versetzen, Türen zu neuen Fragen aufzustoßen“, erklärt Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, die wissenschaftliche Bedeutung der Mission.

Die Deutsche Raumfahrtagentur steuert im Auftrag der Bundesregierung die deutschen Beiträge für die Europäische Weltraumagentur ESA. Deutschland ist hier aktuell der größte Beitragszahler, zur James-Webb-Mission steuert Deutschland rund 106,5 Millionen Euro im Rahmen der ESA bei. Hinzukommen weitere zehn Millionen Euro für das MIRI-Instrument aus dem so genannten Nationalen Raumfahrtprogramm. Auch DLR-Wissenschaftler hoffen auf Beobachtungszeit von JWST, um Exoplaneten zu untersuchen. „Mit dem neuen Teleskop lassen sich zukünftig Atmosphären um viel kleinere Planeten nachweisen, als es bisher möglich war“, sagt Prof. Dr. Heike Rauer, Leiterin des DLR-Instituts für Planetenforschung in Berlin-Adlershof. „Das MIRI-Instrument ist ein gut geeignetes Werkzeug, um die Gashüllen dieser besonders kleinen Himmelskörper zu untersuchen.

Was Charles Darwin und das Weltraumteleskop James Webb gemeinsam haben
Als Charles Darwin vor 190 Jahren – genauer gesagt am 27. Dezember 1831 – mit der HMS Beagle aufbrach, wusste er noch nicht, dass seine Beobachtungen und Erkenntnisse die Welt der Wissenschaft grundlegend verändern würden. Heute haben wir zumindest eine Ahnung, welche Rätsel das Weltraumteleskop James Webb lösen könnte. Doch das präziseste Infrarot-Teleskop aller Zeiten hat vor allem das Unbekannte im Visier: „Wie Charles Darwin geht das Weltraumteleskop James Webb auch durch feinste Beobachtung der Evolution auf den Grund – nicht der von Mensch und Natur, sondern von Sternen und Planeten. Dabei blickt das Teleskop mit seinem riesigen, entfaltbaren Hauptspiegel von 6,5 Meter Durchmesser extrem weit in der Zeit zurück: ‚Kurz‘ nach dem Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren strahlten die ersten Galaxien Licht durch das Universum. Dies kommt wegen der raschen Ausdehnung des Alls erst heute bei uns als extrem schwache Wärmestrahlung an. Genau diese Strahlung kann das Teleskop einfangen – und sei sie noch so gering“, erklärt Heinz Hammes, James-Webb-Projektleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

JWST ist ein Gemeinschaftsprojekt der Raumfahrtagenturen NASA (USA), ESA (Europa) und CSA (Kanada). Es wird einen großen Infrarotbereich abdecken und diese „uralte“ Wärmestrahlung sichtbar machen. Und da die Infrarotstrahlung auch durch kalte Staubwolken hindurch sichtbar ist, verschwinden sogar diese Hindernisse für JWST. „Das Teleskop sieht also das bislang Verborgene, weil bei James Webb zum ersten Mal bei einem Weltraumteleskop der Spiegel gekühlt wird. Man kann so Signale empfangen, die vorher im Rauschen verborgen waren. Doch nicht nur mit der Frühgeschichte des Universums beschäftigt sich das Teleskop, es kann auch die Entstehung von Sternen und Planetensystemen aus besonderen Ringen aus Gas und Staub – den sogenannten Protoplanetaren Scheiben – beobachten und Planetensysteme auf ihre Lebensfreundlichkeit untersuchen. Es wird auch auf die Jagd nach erdähnlichen Exoplaneten gehen und deren Atmosphäre untersuchen“, ergänzt Hammes. Dabei wird gerade ein deutsches Instrument dabei helfen, die Chancen auf außerirdisches Leben besser einzuschätzen.

Zwei europäische Instrumente mit großen deutschen Anteilen
NIRSpec ist für den Wellenlängenbereich von 0,6 bis 5 Mikrometer ausgelegt und wurde im Auftrag der ESA von Airbus in Ottobrunn und Friedrichshafen aufgebaut. Dieses Instrument soll zum ersten Mal überhaupt Spektren von bis zu 100 verschiedenen Beobachtungszielen gleichzeitig in einem Gesichtsfeld von 3,4 mal 3,6 Bogenminuten ins Visier nehmen und ist damit ideal für die Spektroskopie von entfernten Galaxien geeignet. Eine Bogenminute entspricht etwa dem Auflösungsvermögen unseres Auges, wobei der Vollmond am Himmel einer Ausdehnung von 32 Bogenminuten entspricht. Mit NIRSpec soll vor allem die Strahlung der ersten Galaxien aufgespürt werden, die sich im frühen Universum in einer Zeit etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben, als sich das All von seinem heutigen Zustand noch deutlich unterschied.

„NIRSpec wird das von diesen Himmelskörpern empfangene Infrarotlicht in einzelne Wellenlängen zerlegen und den Wissenschaftlern dadurch wichtige Informationen zur Entfernung, chemischen Zusammensetzung, zu den dynamischen Eigenschaften und dem Alter dieser Objekte liefern sowie den intergalaktischen Raum und dessen Gase genauer untersuchen. NIRSpec ist ein äußerst vielseitiges Instrument, das auch die Frühphasen der Entstehung von Sternen in unserer Milchstraße untersuchen und die atmosphärischen Eigenschaften von Planeten anderer Sterne analysieren wird, womit die Möglichkeiten für außerirdisches Leben besser eingeschätzt werden können“, schildert Projektleiter Heinz Hammes.

MIRI wurde von der ESA und der NASA gemeinsam gebaut. Dabei stammen die Detektoren und die zugehörige Elektronik aus den USA. Europa stellt die optischen und mechanischen Komponenten dieses Instruments. Während alle anderen Instrumente im nahen Infrarotbereich beobachten, widmet sich MIRI dem mittleren Infrarotbereich. Das Instrument verfügt über drei 1024-mal-1024-Pixel Detektoren und deckt den Wellenlängenbereich von fünf bis zu 28 Mikrometer ab. Bedingt durch die größere Wellenlänge reduziert sich die Auflösung auf 0,19 Bogenminuten. MIRI hat aber dennoch eine sieben Mal höhere Winkelauflösung als das Weltraumteleskop Spitzer und ist auch etwa 50 Mal empfindlicher. Allerdings ist für dieses Instrument ein aktiver Kühlkreislauf notwendig, da die Detektoren mit Helium auf sechs Kelvin gekühlt werden müssen.

Das Instrument verfügt über verschiedene Modi, die für unterschiedliche Anwendungen ausgelegt sind. So ist der „Imaging Mode“ für eine Durchmusterung geeignet. Der „Coronographie Mode“ kann aufgrund von verschiedenen Filtern optimal für die Untersuchung von Exoplaneten eingesetzt werden. Im „Medium Resolution Spectroscopy Mode“ wird mit vier verschiedenen Kanälen der Himmel beobachtet. Durch die Abdeckung eines sehr großen Wellenlängenbereiches ist dieses Instrument sowohl für die nahen und warmen Objekte, wie Objekte in der Milchstraße, aber auch für die Objekte mit hoher Rotverschiebung aus der Frühzeit des Universums empfindlich. An dem Projekt arbeiten das Jet Propulsion Laboratory und das Goddard Space Flight Center der NASA sowie ein vom „Astronomy Technology Centre“ in Edinburgh geleitetes europäisches Konsortium aus 26 Nationen zusammen, zu dem auch das Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und die Universität zu Köln zählen.

James Webb – ein internationales Großprojekt
Auf dem James Webb-Weltraumteleskop sind vier Instrumente integriert, die von verschiedenen Konsortien aufgebaut wurden. Insgesamt sind 14 verschiedene Staaten an diesem Riesenprojekt beteiligt: Die USA und Kanada arbeiten seit 1996 zusammen und seit 2003 auch zwölf europäische Staaten, vertreten durch die ESA. Zudem stellt die ESA mit einer Ariane 5 ECA den Launcher und beteiligt sich am Betrieb des Space Telescope Science Institutes in Baltimore. Dafür erhält die ESA eine volle Partnerschaft im Konsortium und Zugang zur Beobachtungszeit für alle Mitgliedsstaaten, ähnlich wie derzeit auch bei dem wissenschaftlichen Vorgängerprojekt Hubble. Diese Zeit wird durch ein unabhängiges Gremium bewertet und zugeteilt. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR koordiniert die deutschen Beiträge für die ESA. Deutsche Beiträge zur Mission leisten darüber hinaus Airbus, ArianeGroup, Hensoldt Optronics, IABG, das Max-Planck-Institut für Astronomie und die Universität zu Köln.

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• James Webb Space Telescope (JWST) auf Ariane5 VA256

Der Beitrag Weltraumteleskop James Webb: Die Evolution des Universums im Fokus erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

21. Dezember 2021 – Wenn voraussichtlich am 24. Dezember 2021 das Weltraumteleskop James Webb zu seiner Mission ins All aufbricht, werden am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg entwickelte und gebaute Elemente mit an Bord sein. Darunter befindet sich ein Filterrad, das die MIRI-Kamera des Webb-Teleskops erst zu einem wissenschaftlichen Instrument macht, mit dem Astronominnen und Astronomen einige der drängendsten Fragen der Weltraumforschung beantworten wollen. Dieser Beitrag ist ein Baustein, der auch in Zukunft den Platz des MPIA in der Weltspitze der astronomischen Forschung sichern hilft.

Am 24. Dezember 2021 soll nach Jahrzehnten der Planung, Entwicklung und des Baus sowie mehreren Verzögerungen das Weltraumteleskop James Webb (JWST) mit einer Ariane 5-Rakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana ins All starten. Für zwei der an Bord befindlichen Messinstrumente hat das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg mehrere zentrale technische Komponenten beigetragen.

Das MPIA ist einer der Hauptpartner im europäischen Konsortium für MIRI (Mittel-InfraRot-Instrument). In dieser Rolle entwickelten Ingenieurinnen und Ingenieure des MPIA mit Unterstützung der Firma Hensoldt in Oberkochen unter anderem ein Filterrad für die MIRI-Kamera sowie zwei Gitterräder für den MIRI-Spektrografen. „Mit eigenen technischen Abteilungen wie Labors, einem Konstruktionsbüro sowie Werkstätten für Elektronik und Präzisionsmechanik hat das MPIA seit Jahrzehnten Erfahrung beim Bau von Messgeräten für Satelliten gesammelt. Diese Expertise war nun auch bei der Entwicklung dieser anspruchsvollen Komponenten für das JWST entscheidend“, erläutert Oliver Krause, Leiter der Forschungsgruppe für Infrarot-Weltraumastronomie am MPIA und Hauptverantwortlicher für die technischen Beiträge des Instituts.

Darüber hinaus ist das MPIA in dem MIRI-Konsortium federführend bei der Entwicklung des elektrischen Systems des MIRI-Instruments. MIRI wird im Bereich des infraroten Lichtspektrums arbeiten, der Wellenlängen zwischen fünf und 28 Mikrometern umfasst. MIRI ist dabei so empfindlich, dass es eine Kerze auf einem der Jupitermonde nachweisen könnte.

Weiterhin ist das MPIA an der Entwicklung eines Filter- und eines Gitterrads für das Instrument NIRSpec (NahInfraRot-Spectrograph) beteiligt. NIRSpec deckt einen Spektralbereich zwischen 0,6 und fünf Mikrometern ab.

Alle diese Kryomechanismen, also bewegliche Teile, die unter extremer Kälte betrieben werden, müssen Temperaturen bis hinunter zu -266 °C aushalten, die durch zusätzliche Kühlgeräte erreicht werden. Unter diesen Bedingungen würden herkömmliche Werk- und Schmierstoffe nicht funktionieren. Die Mechanismen müssen präzise, dauerhaft und vor allem wartungsfrei arbeiten. „Denn Reparaturflüge wie zu Beginn des Betriebs des Weltraumteleskops Hubble sind beim JWST nicht möglich, da es nicht in einer Erdumlaufbahn arbeitet, sondern in 1,5 Millionen Kilometern Entfernung von der Erde betrieben wird“, sagt Thomas Henning, geschäftsführender Direktor des MPIA.

Die instrumentellen Hardware-Beiträge des MPIA und seiner industriellen Auftragnehmer zu diesen beiden JWST-Instrumenten wurden bereits in den Jahren 2012/2013 erfolgreich an die NASA geliefert. Seit damals mussten sich die Instrumente einer Reihe von strengen Testkampagnen unterziehen. Das JWST-Team des MPIA war maßgeblich an der Vorbereitung, Durchführung und Auswertung dieser Tests bei der NASA in den USA beteiligt. Außerdem ist das MPIA-Team intensiv in die Entwicklung der zukünftigen Datenverarbeitungssoftware für das MIRI-Instrument eingebunden.

Für die technischen Beiträge erhalten die beteiligten Forschungsinstitute als Gegenleistung sogenannte GT-Programme (Guaranteed Time = garantierte Beobachtungszeit). Hier ist das MPIA, auch teilweise in leitender Funktion, intensiv beteiligt. Darüber hinaus konnten sich Astronominnen und Astronomen des MPIA einen großen Anteil an der Beobachtungszeit sichern, die allen Forschenden offensteht. Nur die besten Programme setzen sich im Rahmen einer Begutachtung im Wettbewerb um die knappe Ressource Zeit durch.

Als Co-Investigator des MIRI-Instruments leitet Henning eines der großen Wissenschaftsprojekte mit diesem Instrument. Er erläutert: „Wir wollen herausfinden, welches Baumaterial Planeten in ihren Geburtsstätten, den Scheiben aus Gas und Staub um junge Sterne, vorfinden. Dazu werden wir mit dem MIRI-Spektrografen die chemische Zusammensetzung des Gases und der Staubteilchen aufklären.“ Einige Astronominnen und Astronomen sind von den USA zum MPIA gewechselt, um dort mit dem JWST weltweite Spitzenforschung zu betreiben.

Das Weltraumteleskop James Webb, das unter der Federführung der NASA bereits seit 1996 entwickelt wurde, gilt bezüglich der zu erwartenden Erkenntnisse als der Nachfolger des Weltraumteleskops Hubble, das bereits seit über 30 Jahren beeindruckende Bilder wie auch bahnbrechende Entdeckungen liefert. Die Erwartungen an das JWST sind entsprechend hoch.

Hintergrundinformationen
Das MIRI-Konsortium besteht aus den ESA-Mitgliedsstaaten Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Irland, den Niederlanden, Schweden, der Schweiz, Spanien und dem Vereinigten Königreich. JWST ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA, der ESA und der kanadischen Raumfahrtagentur CSA. Der Start des JWST ist für den 22. Dezember 2021 vorgesehen.

Die Arbeit des Konsortiums wird von den nationalen Wissenschaftsorganisationen finanziert; in Deutschland von der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die beteiligten deutschen Institutionen sind das Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, die Universität Köln, und Hensoldt AG in Oberkochen, ehemals Carl Zeiss Optronics.

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• JWST – James Webb Space Telescope

Startthread im Raumcon-Forum:

• James Webb Space Telescope (JWST) auf Ariane5 VA256

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Quelle: RUAG Space Austria.

13. Dezember 2021 – Das James Webb-Weltraumteleskop, benannt nach einem früheren NASA-Leiter, soll am 22. Dezember ins All starten. Der Nachfolger des Hubble-Teleskops ist ein gemeinsames Projekt der amerikanischen, europäischen und kanadischen Raumfahrtbehörden und das weltweit größte Weltraumteleskop. Das Webb-Teleskop wird unser Verständnis der Entstehung von Galaxien, Sternen, Planeten und letztlich vielleicht auch der Ursprünge des Lebens erweitern. Der Raketenstart erfolgt vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana, Südamerika.

Mechanismen für NASA-Webb-Teleskop
Für das James Webb-Teleskop lieferte RUAG Space aus Wien zwei hochpräzise Mechanismen für das „Superauge“ namens „NIRSpec“, eines der drei Hauptinstrumente des Teleskops. Das „Superauge“ kann schwächste Infrarotstrahlungen von den entferntesten Galaxien aufspüren. Das Instrument ist rund 200 Kilogramm schwer und wird im Weltraum bei einer Temperatur von rund minus 230 Grad Celsius arbeiten. Die Mechanismen aus Wien sorgen für die präzise Halterung und Drehung eines Filterrades sowie eines Gitterrades für das „Superauge“. „Das Kugellager des Mechanismus ist das präziseste in ganz Europa“, sagt Andreas Buhl, Geschäftsführer von RUAG Space Austria, Österreichs größtem Weltraumunternehmen. Der Mechanismus arbeitet auf 100 Nanometer genau.

Spezialgerät aus Wien dreht und kippt Webb-Teleskop
Während der Endfertigung des Teleskops auf der Erde ist ebenfalls rot-weiß-rote Technik im Einsatz. Damit Ingenieure von allen Seiten das Teleskop bearbeiten können, dreht und kippt ein Spezialgerät von RUAG Space in Wien das Teleskop. Das Unternehmen lieferte auch die Thermalisolation für die große Kommunikationsantenne des Teleskops. „Das größte und leistungsstärkste Weltraumteleskop der Welt nutzt rot-weiß-rote Technologie aus Wien. Als kleines Land zeigen wir, zu welchen Spitzenleistungen unsere heimischen Ingenieurinnen und Ingenieure fähig sind“, sagt Andreas Buhl.

RUAG Space Austria ist Österreichs größter Weltraumzulieferer
RUAG Space Austria mit Sitz in Wien ist mit rund 250 Mitarbeitenden das größte österreichische Weltraumtechnikunternehmen. Im Berndorfer Werk sind zur Zeit rund 20 Personen beschäftigt. Das Hochtechnologieunternehmen rüstet weltweit Satelliten und Trägerraketen mit Elektronik, Mechanik und Thermalisolation aus und hat eine Exportquote von rund 100 Prozent. Als Spin-off der Weltraumaktivitäten produziert das Unternehmen in Berndorf auch Thermalisolation etwa für den Medizinbereich (Magnetresonanztomographen).

RUAG Space: Europas führender Zulieferer für Raumfahrt
RUAG Space ist der führende Zulieferer für die Raumfahrt in Europa mit einer wachsenden Präsenz in den USA. Rund 1300 Mitarbeitende in sechs Ländern entwickeln und produzieren Produkte für Satelliten und Trägerraketen – dadurch spielt RUAG Space eine zentrale Rolle sowohl im institutionellen als auch im kommerziellen Raumfahrtmarkt. RUAG Space ist Teil des internationalen Technologieunternehmens RUAG International mit Sitz in der Schweiz.

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Quelle: Airbus Defence and Space.

Kourou, Französisch-Guayana, 18. Oktober 2021 – Letzte Station, Kourou. Das Webb Space Telescope (WST) ist im europäischen Weltraumbahnhof in Kourou, Französisch- Guayana, angekommen. Die Sonde wird nun für ihren Start vorbereitet, der für den 18. Dezember 2021 mit einer Ariane-5-Trägerrakete geplant ist. Eines der vier wissenschaftlichen Instrumente ist der von Airbus in Deutschland gebaute Nahinfrarot-Spektrograph (NIRSpec).

Vor dem Start wird im Oktober ein vollständiger Funktionstest durchgeführt, um sicherzustellen, dass alle Teile des Raumfahrzeugs nach der Reise nach Kourou noch wie erwartet funktionieren. Airbus wird die abschließenden elektrischen Funktionstests der vier wissenschaftlichen Instrumente (einschließlich NIRSpec), die etwa sechs Tage dauern werden, aktiv unterstützen.

„Das Webb-Teleskop wird die Art und Weise, wie wir das Universum sehen, verändern“, sagte Jean Marc Nasr, Leiter von Airbus Space Systems. „Unsere Beiträge zu den Instrumenten NIRSpec und MIRI sind ein Beweis für die Kompetenz von Airbus und den Wert, den wir in die moderne Astronomie einbringen können. Wir sind stolz darauf, eine Schlüsselrolle bei den zukünftigen Entdeckungen der Webb-Mission gespielt zu haben.“

Nach dem Einschwenken in die Umlaufbahn wird Webb eine einmonatige Reise antreten und dabei die vierfache Entfernung zum Mond zurücklegen, bis er sein endgültiges Ziel, den Lagrange-Punkt L2, erreicht, der von der Sonne aus gesehen etwa 1,5 Millionen km hinter der Erde liegt.

Airbus wird NIRSpec vom Start bis zur Inbetriebnahme (bis zum zweiten Quartal 2022) unterstützen und seine Parameter rund um die Uhr überwachen. Dazu gehören auch die kritische Abkühlphase und die ersten Funktionstests, wenn das NIRSpec-Instrument eingeschaltet wird. Schließlich wird das Airbus-Ingenieurteam auch während der Leistungsüberprüfung und Kalibrierung bis zum Ende der Inbetriebnahme Unterstützung leisten.

Das 200 Kilogramm schwere NIRSpec-Instrument ist ein Multi-Objekt-Spektrograph, der gleichzeitig das Spektrum von mindestens 100 Objekten wie Sternen oder Galaxien im nahen Infrarot mit verschiedenen spektralen Auflösungen bis hinunter zu 0,3 Nanometern messen kann. Die Beobachtungen werden im Wellenlängenbereich von 0,6 bis 5,0 Mikrometern durchgeführt. Sobald es in Betrieb ist, wird NIRSpec, oft auch als „Superauge“ bezeichnet, bei einer Temperatur von -230°C arbeiten. Ein Team von mehr als 70 Mitarbeitern an den Airbus- Standorten Ottobrunn, Friedrichshafen und Toulouse arbeitete an der Konzeption, der Entwicklung und schließlich der Integration und dem Test von NIRSpec, unterstützt von 17 europäischen Unterauftragnehmern und der NASA. Das Instrument wurde von Airbus für die Europäische Weltraumorganisation (ESA) entwickelt.

Aufgrund seiner ausgezeichneten Empfindlichkeit, seiner hohen Auflösung und seiner breiten Wellenlängenabdeckung ist NIRSpec ein Schlüsselinstrument, um einen tieferen Einblick in die Entwicklung des Universums zu gewinnen. Es verwendet ein hochgradig a-thermisches Konzept, bei dem alle Spiegel, die Spiegelhalterungen und die Grundplatte der optischen Bank aus Siliziumkarbid-Keramik SiC 100® bestehen.

Ein weiteres Instrument, das Mid-InfraRed Instrument (MIRI), ist ebenfalls Teil des europäischen Beitrags zur Webb-Mission. Airbus in Großbritannien war für das europäische Konsortium, das das MIRI gebaut hat, für das Management, die Technik und das Qualitätsmanagement zuständig, um einen einheitlichen Ansatz für den Entwurf, den Bau und den Testprozess zu gewährleisten. MIRI deckt den mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich von 5 bis 28,3 Mikrometern ab. MIRI wird in der Lage sein, dicke Staubschichten zu durchdringen, die die Regionen mit intensiver Sternentstehung verdecken. Es wird die ersten Generationen von Galaxien sehen, die sich nach dem Urknall gebildet haben, und es wird die Orte der Entstehung neuer Planeten und die Zusammensetzung des interstellaren Mediums untersuchen. Um sicherzustellen, dass die Signale schwacher Objekte nicht durch das eigene Infrarotleuchten des Instruments übertönt werden, wird MIRI auf -266 °C gekühlt, nur 7 °C über dem absoluten Nullpunkt.

Mit dem NIRSpec-Instrument wird Webb die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien in unserem Universum untersuchen, als dieses erst einige hundert Millionen Jahre alt war. NIRSpec wird in der Lage sein, die Spektren von typischerweise 60 bis 200 Galaxien auf einmal zu erfassen, so dass die Wissenschaftler die Entstehung und Entwicklung dieser Galaxien bis ins kleinste Detail beobachten können. NIRSpec wird auch in der Lage sein, die Atmosphäre von Exoplaneten zu untersuchen, also von Planeten, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen. Es wird insbesondere nach der Signatur von Schlüsselmolekülen wie Wasser suchen.

Webb, die Nachfolgemission des Hubble-Weltraumteleskops (HST), wird mit seinen wissenschaftlichen Instrumenten im Vergleich zu HST weiter in die Vergangenheit blicken können, vor allem aufgrund seiner höheren Empfindlichkeit und eines breiteren Wellenlängenbereichs zwischen 0,6 und 27 Mikrometern. Es wird erwartet, dass es erstaunliche Durchbrüche in der Weltraumforschung im Infrarotbereich bringen wird. Das 10 Milliarden Dollar teure Webb-Weltraumteleskop ist ein Gemeinschaftsprojekt der amerikanischen, europäischen und kanadischen Raumfahrtbehörden.

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