Ins Hunderte von Lichtjahren entfernte Universum reisen, um „eine Ausstellung anzusehen“? Dieses astronomische Teleskop malt ein Bild der „Wiege“ der Sterne!

In den letzten Jahren haben sich immer mehr Menschen dazu entschlossen, „das neue Jahr auf elegante Weise zu feiern“, und „Ausstellungen während des Frühlingsfestes zu besuchen“ und „das neue Jahr mit Kunst zu feiern“ ist zu einem neuen Trend geworden. Während des Frühlingsfests 2023 besuchten beispielsweise viele Bürger und Touristen Shanghais die Sonderausstellung „Jade Rabbit Elf“ zur Begrüßung des Jahres des Hasen im Shanghai Museum. Das Frühlingsfest 2024 rückt immer näher. Wenn Sie sich auf den Besuch der Ausstellung vorbereiten, wussten Sie, dass es Hunderte von Lichtjahren entfernt im Universum eine großartige Nebel-„Kunstausstellung“ gibt? Wer hat die Möglichkeit, uns zu einer solchen „Kunstausstellung“ mitzunehmen? Es handelt sich um das berühmte „James Webb-Weltraumteleskop“.

01 Hubbles Nachfolger: James Webb-Weltraumteleskop

Das James Webb-Weltraumteleskop (JWST, im Folgenden als Webb-Teleskop bezeichnet) ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der Canadian Space Agency (CSA). Als Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops ist es derzeit das komplexeste und teuerste astronomische Teleskop der Welt; Es trägt vier wissenschaftliche Instrumente: die Nahinfrarotkamera (NIRCam), das Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec), das Mittelinfrarotinstrument (MIRI), den Feinführungssensor/Nahinfrarot-Bildgeber und das nahtlose Spektrometer (FGS/NIRISS) . Wie aus den Namen dieser Instrumente hervorgeht, beobachtet das Webb-Teleskop im Gegensatz zum Hubble-Teleskop hauptsächlich Infrarotbänder (siehe Abbildung 1), deren Wellenlängen größer sind als das für das menschliche Auge sichtbare Lichtband . Zu seinen Hauptaufgaben gehören die Suche nach der ersten Generation von Galaxien, die nach dem Urknall entstanden sind, das Studium der Evolution von Galaxien, die Beobachtung des Geburtsprozesses von Sternen und Planetensystemen sowie die Messung der chemischen Zusammensetzung von Planeten und Exoplaneten des Sonnensystems, um die Möglichkeit von Leben auf ihnen zu erforschen .

Abbildung 1. Beobachtungsbänder der Weltraumteleskope Hubble und Webb (Bildquelle: Medienkit des Weltraumteleskops Webb/NASA)

Der leistungsstarke Hauptspiegel des Webb-Teleskops (6,5 Meter Öffnung) kann eine beispiellose Auflösung und Empfindlichkeit bieten und man erwartet, dass es uns ein klareres und großartigeres Bild des Universums liefert. Im Juli 2022 wurden die ersten wissenschaftlichen Bilder des Webb-Teleskops veröffentlicht, darunter ein mit Gas und Staub gefüllter Nebel – der Carinanebel (oben rechts in Abbildung 2), der von vielen Internetnutzern als das schönste der ersten wissenschaftlichen Bilder angesehen wurde. Der Autor hat es als Desktop-Hintergrundbild seines Computers verwendet. Im Juli 2023 veröffentlichte das Webb-Teleskop anlässlich des ersten Jahrestages seines wissenschaftlichen Betriebs ein atemberaubendes Bild des Nebels – der Rho-Ophiuchi-Wolke (Abbildung 3). Dieses Bild sieht aus wie ein impressionistisches Gemälde und wurde vom Magazin Nature zu einem der zehn besten wissenschaftlichen Bilder des Jahres 2023 gewählt. Das Webb-Teleskop ist wie ein Monet im Weltraum und zeigt anschaulich die Schönheit von Licht und Schatten im Universum.

Abbildung 2. Die ersten wissenschaftlichen Bilder, die vom Webb-Teleskop veröffentlicht wurden. Oben links: Der südliche Ringnebel in zwei Infrarotbändern; Oben rechts: Eine Ecke des Carinanebels (NGC 3324); Unten links: Stephans Quintett-Galaxien; Unten rechts: Der Galaxienhaufen SMACS 0723. (Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA, ESA, CSA und STScI)

Abbildung 3. Eine Ecke des Schlangennebels, fotografiert vom Webb-Teleskop. Der schillernde sechszackige Streifen jedes Sterns ist auf die Konstruktion des Primär- und Sekundärspiegels des Webb-Teleskops zurückzuführen. (Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA, ESA, CSA, STScI, Klaus Pontoppidan (STScI), Alyssa Pagan (STScI))

02 Prächtiger Nebel: Die Wiege der Sternentstehung

Der Carinanebel und der Schlangenträgernebel, die vom Webb-Teleskop fotografiert wurden, sind beides Sternentstehungsgebiete – das heißt Orte, an denen Sterne geboren werden. Die Beobachtung dieser Gebiete ist eines der wichtigsten wissenschaftlichen Ziele des Webb-Teleskops und soll uns die Geheimnisse der Sternentstehung enthüllen . Unter ihnen ist der Schlangenträgernebel mit einer Entfernung von etwa 390 Lichtjahren das nächstgelegene Sternentstehungsgebiet. Astronomen glauben , dass eine riesige Molekülwolke in Tausende oder sogar Millionen von Sternen zerfällt. Diese Molekülwolken sind Sternentstehungsgebiete, die hauptsächlich aus etwa 70 % Wasserstoff, 28 % Helium und geringen Mengen anderer Elemente bestehen . Die typische Größe einer Molekülwolke beträgt Dutzende bis Hunderte von Lichtjahren, ihre Masse beträgt Zehntausende bis Millionen Sonnenmassen und ihre Temperatur ist sehr niedrig, sie liegt bei etwa minus 250 Grad Celsius. Diese Molekülwolken stellen kein einheitliches Ganzes dar, sondern enthalten viele komplexe Strukturen. Der Kollaps Molekülwolken erfordert Gravitationsinstabilitäten, die zusammen mit Turbulenzen, Rotation und Magnetfeldern die räumliche und Massenverteilung von Molekülwolkenklumpen bestimmen, also die Regionen, in denen Sterne und Sternhaufen entstehen. Viele Klumpen oder Unterklumpen molekularer Wolken kollabieren gemeinsam, sodass Sterne in Gruppen entstehen , wie Brüder und Schwestern in einer großen Familie, und sich dann im Laufe der Zeit überall verstreuen. Astronomen schätzen, dass unsere Sonne mehrere tausend Geschwister hat .

Der Kollaps der Molekülwolke führt zu einem allmählichen Temperaturanstieg im Zentrum, wodurch ein Objekt entsteht, das als Protostern bezeichnet wird. Dieser Protostern hat noch nicht mit der Kernfusion begonnen, da die Kerntemperatur nicht hoch genug ist, um Kernreaktionen aufrechtzuerhalten. Der Protostern wird sich auf die Schwerkraft verlassen, um das umgebende Gas anzusammeln und eine Akkretionsscheibe zu bilden (siehe Abbildung 4). Während die Masse des Protosterns weiter zunimmt, steigen auch Temperatur und Druck im Inneren allmählich an und erreichen schließlich ein Niveau, das ausreicht, um die Kernfusion einzuleiten und zu einem Stern zu werden . Je größer die Masse, desto kürzer ist die Dauer dieses Vorgangs. Bei einem Stern mit der Masse der Sonne dauert dies etwa 50 Millionen Jahre, eine sehr kurze Kindheit im Vergleich zur Lebensdauer der Sonne von 10 Milliarden Jahren . Wenn die Akkretion des Protosterns endet oder kurz vor dem Ende steht, kollidieren das restliche Gas und der Staub auf der Akkretionsscheibe und sammeln sich zu einem Kern, der das umgebende Gas und den Staub anreichert und schließlich einen Planeten bildet, der den Stern umkreist.

Abbildung 4. Zwanzig verschiedene Protosterne und ihre Akkretionsscheiben. (Bild mit freundlicher Genehmigung von ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello)

In den letzten Jahrzehnten haben die Astronomen nach und nach den allgemeinen Prozess verstanden, wie interstellare Gasnebel zu Sternen und den sie umgebenden Planeten kollabieren. Dennoch gibt es noch immer viele unklare Details und ungelöste Probleme. Die Antworten auf diese Fragen könnten neue Erkenntnisse über die Ursprünge unseres Sonnensystems und sogar des Lebens liefern. Daher ist die Beobachtung des Sternentstehungsprozesses eines der zentralen wissenschaftlichen Ziele des Webb-Teleskops.

03Wie wurde die farbenfrohe Sternenwiege fotografiert?

Sternentstehungsgebiete sind mit Staub gefüllt, der das Licht blockiert (denken Sie an Dunst an einem Tag mit Smog), sodass wir die Einzelheiten innerhalb des Sternentstehungsgebiets und der entstehenden Sterne nicht erkennen können. Infrarotlicht kann diesen Staub durchdringen und dies ist genau der Wellenlängenbereich, in dem das Webb-Teleskop beobachtet . Daher weist das Webb-Teleskop im Vergleich zum Hubble-Teleskop nicht nur klarere Details auf (höhere Auflösung ), sondern ermöglicht auch eine klarere Sicht (erkennt durch Staub verdeckte Himmelskörper). Abbildung 5: Links sind die berühmten „Säulen der Schöpfung“ (ein kleiner Teil des Adlernebels) zu sehen, fotografiert vom Hubble. Diese dunkelbraunen Säulen, die herauszusprudeln scheinen, sind Staub. Das Bild rechts zeigt denselben Bereich, der vom Webb-Teleskop fotografiert wurde. Man kann erkennen, dass Webbs Fotos offensichtlich transparenter sind und viele Bereiche und Sterne sichtbar werden, die auf Hubbles Fotos durch Staub verdeckt waren.

Abbildung 5. Ein Teil des Adlernebels, aufgenommen von den Teleskopen Hubble (links) und Webb (rechts). (Bilder von NASA, ESA, CSA, STScI; Joseph DePasquale (STScI), Anton M. Koekemoer (STScI), Alyssa Pagan (STScI).)

Unsere menschlichen Augen können kein Infrarotlicht sehen. Warum können wir also so viele farbenfrohe Fotos von Webb sehen? Tatsächlich können alle Farben, die wir in unserem täglichen Leben sehen, aus mehreren Grundfarben synthetisiert werden . Beispielsweise verwenden verschiedene Anzeigegeräte und Digitalkameras die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau, um andere Farben zu synthetisieren. Drucker verwenden Cyan, Rot und Gelb, um verschiedene Farbbilder zu synthetisieren. Tatsächlich entsprechen die Farben bei astronomischen Beobachtungen einem sehr schmalen Band. Sie können eine Farbe sehen, indem Sie mit einem Band beobachten . Beispielsweise können Sie mit einer roten Linse eine rote Welt sehen, was bedeutet, dass nur rotes Licht durch die Linse fällt. Diese Art von Linse wird in der Astronomie als Filter bezeichnet.

Der von Webb beobachtete Schlangenträgernebel (Abbildung 3) wurde mit einer Nahinfrarotkamera fotografiert. Mit insgesamt fünf Filtern wurden die Fotos einzeln aufgenommen und anschließend jedem Foto eine für das menschliche Auge sichtbare Farbe zugewiesen. Schließlich wurde der farbenfrohe Nebel, den wir sehen, synthetisiert, einschließlich:

Filter F187N (Mittenwellenlänge 1,874 μm) spezifiziert als blau

Filter F200W (1,990 μm) ist hellblau

Filter F335W (3,365 Mikrometer) ist cyan

Filter F444W (4,421 μm) ist gelb

Filter F470N (4,707 Mikrometer) ist rot

Mit zunehmender Wellenlänge der Filter erhöht sich auch die Wellenlänge der angegebenen Farbe .

Die in Abbildung 3 dargestellte Region des Schlangennebels enthält etwa 50 neu geborene Sterne, von denen die meisten eine ähnliche Größe wie unsere Sonne haben. Unser Sonnensystem könnte vor 4,5 Milliarden Jahren in einem solchen Nebel entstanden sein . In der Mitte der stalaktitenartigen Struktur unten links befindet sich ein heller Stern. Dies ist der einzige Stern in diesem Bereich, der viel größer als die Sonne ist. Dieser junge Stern kann seine innere Begeisterung nicht unterdrücken und stößt gleißendes Licht und Sternenwind aus. Wie ein Schnitzmesser schneidet es in die Wand des Nebels (Staubs) und erodiert ihn langsam, um das zu formen, was wir sehen. Der Hohlraum ist außerdem mit einem hellblauen, nebelartigen Gas gefüllt – polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), einer Klasse organischer Kohlenwasserstoffverbindungen, die im interstellaren Medium sehr häufig vorkommen. Seine Strahlungssignatur beträgt etwa 3,3 Mikrometer. Die rote, stalagmitenartige Struktur oben rechts ist ein neugeborener Stern, der seine äußere Hülle durchbricht und dabei zwei Strahlen erzeugt, die in entgegengesetzte Richtungen austreten, wie ein Neugeborenes, das zum ersten Mal seine Arme ausstreckt. Das Rot ist Strahlung von molekularem Wasserstoff, da dieser eine Strahlungssignatur von etwa 4,693 Mikrometern aufweist. In der Mitte befindet sich ein dunkler Bereich mit annähernd dreieckiger Form, was darauf hinweist, dass der dichte Staub sogar das Infrarotlicht blockiert hat.

Das weite und grenzenlose Universum ist nicht nur mit seiner Großartigkeit und Pracht eine Augenweide, sondern ermöglicht es uns, die es erforschen, dank seiner verborgenen Geheimnisse auch, wahre Erkenntnisse zu gewinnen. Das Universum ständig zu erforschen bedeutet, sich selbst zu erforschen, und immer Ehrfurcht vor dem Universum zu haben, bedeutet, Ehrfurcht vor sich selbst zu haben!

Quellen:

https://www.nature.com/immersive/d41586-023-03872-z/index.html

https://webbtelescope.org/news/webb-science-writers-guide/science-with-webb

https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2023/news-2023-128

Autor: Yan Zhen, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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