Das Webb-Teleskop, das so leistungsstark ist, hat tatsächlich diese „dunkle Geschichte“

In den letzten beiden Tagen gab es in der astronomischen Gemeinschaft ein großes freudiges Ereignis: Die ersten Fotos, die vom Webb-Teleskop aufgenommen wurden, sind endlich online und überall auf dem Bildschirm zu sehen! Diese Fotos gibt es überall, deshalb werde ich hier nicht ins Detail gehen. Heute konzentrieren wir uns auf die dunkle Geschichte dieses Superteleskops. Ja, es ist nicht nur ein Taubenkönig und ein geldfressendes Biest, sondern auch ein klassisches (nicht so positives) Lehrmaterial, das Projektmanagern Todesangst einjagen kann …

Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Freund, der Sie zu einer gemeinsamen Sternenbeobachtung einlädt, aber heute sagt er, das Teleskop sei nicht bereit, morgen sagt er, er habe zu Hause etwas zu tun, und übermorgen sagt er, er habe kein Geld, um zu tanken... Mit jemandem, der andere gerne versetzt und Verabredungen platzen lässt, hätten wir die Freundschaft schon längst verloren. Aber es gibt eine solche Legende in der astronomischen Welt, die ihre Ergebnisse seit mehr als 14 Jahren immer wieder verschiebt, aber dennoch dafür sorgt, dass die Menschen ihn lieben, hassen und sich auf ihn freuen …

Es handelt sich um das legendäre James Webb Space Telescope (JWST). Als das Projekt 1996 ins Leben gerufen wurde, bestand das Ziel darin, es 2007 ins All zu bringen. Es kam jedoch zu einer Reihe von Verzögerungen, zusätzlichen Finanzierungsbedarfen und beinahe sogar zum Scheitern, sodass es sich 14 Jahre lang hinzog. Wie es scheint, geht es am 22. Dezember 2021 wirklich los (kein Wunder, der Start wurde auf den 25. Dezember verschoben)!

Wenn Sie nach dem Webb-Teleskop suchen, werden Sie feststellen, dass die einzige Neuigkeit darüber darin besteht, dass es erneut verschoben wurde …

Was ist die erstaunliche Mission des Webb-Teleskops? Warum enttäuschen sie die Leute immer wieder?

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Möchten Sie ein kosmisches „Babyfoto“ machen? Schicken Sie Webb als Ersten in den Himmel

Das Webb-Teleskop ist nach James Webb benannt, dem zweiten Direktor der NASA, der das Apollo-Mondlandeprogramm leitete, sein ursprünglicher Name war jedoch „Next Generation Space Telescope“. Mit „nächster Generation“ ist hier das Hubble-Weltraumteleskop gemeint, das offiziell als Nachfolger des Hubble gilt. Früher hieß es Webb-Teleskop, später wurde die Standardübersetzung „Webb“.

Die Hauptaufgabe des Webb-Teleskops besteht darin, tiefer und weiter ins Universum zu blicken als Hubble und die Anfänge des Universums vor 13,2 Milliarden Jahren zu verfolgen, als die ersten Generationen von Sternen und Galaxien gerade erst entstanden. Seine Beobachtungsergebnisse werden wichtige Daten zur frühen Evolutionsgeschichte des Universums liefern.

Schematische Darstellung des Abbildungsprinzips des Webb-Teleskops der NASA

Warum ist es so wichtig, tiefer und weiter zu blicken?

Denn Licht braucht Zeit, um sich auszubreiten. Was Sie jetzt beispielsweise sehen, ist tatsächlich der Handybildschirm von vor einer Nanosekunde. Wenn Sie zum hellen Mond aufblicken, sehen Sie den Mond von vor einer Sekunde, und das Sonnenlicht, das tagsüber am Frühlingshimmel von Chang'an scheint, stammt von der Sonnenoberfläche vor 500 Sekunden. Wenn Sie ein astronomisches Teleskop aufstellen, sehen Sie Sirius vor 102 Monaten, den Orionnebel vor 1.340 Jahren, die Andromedagalaxie vor 2,5 Millionen Jahren ... Kurz gesagt: Je weiter Sie blicken, desto älter ist die Szene, die Sie sehen.

Daher ist das Prinzip, mit dem das Webb-Teleskop Bilder des kleinen Universums aufnimmt, sehr „einfach“: Man muss nur in die Ferne schauen.

Das Universum dehnt sich jedoch ständig aus. Das Sternenlicht der ersten Sternengeneration bestand zu Beginn aus ultraviolettem und sichtbarem Licht. Als es jedoch Milliarden von Jahren später die Erde erreichte, war es durch die Ausdehnung des Universums in orangerotes und infrarotes Licht „gedehnt“ worden. Bei der Untersuchung neuer Sterne, die in der Nähe entstehen, können die Infrarotstrahlen mit längeren Wellenlängen und stärkerem Beugungsvermögen aus dem Nebelstaub austreten und eine Botschaft senden. Daher arbeitet Webb im 0,6–28-Mikrometer-Band, das gerade für die Beobachtung dieser Infrarotstrahlen geeignet ist.

Es spielt keine Rolle, wenn Sie den obigen Absatz nicht verstehen. Schauen Sie sich einfach das Vergleichsbild an, dann wird es klar. Das Bild rechts nutzt zur Beobachtung das Infrarotband, wodurch Störungen abgeschwächt werden und man deutlich mehr und klarere Sterne erkennen kann als auf dem Bild links.

Vergleich von Beobachtungen im sichtbaren Licht- und Infrarotbereich. Infrarotstrahlen können durch den Nebel „durchdringen“.

Manche Leute sagen vielleicht: „Warum bauen Sie das Teleskop nicht auf der Erde?“ Warum sollte man sich so viel Mühe geben, es in den Himmel zu schicken?

Dafür gibt es zwei Gründe: Absorption und Interferenz.

Einerseits kann die Erdatmosphäre Infrarotstrahlen absorbieren, während Infrarotstrahlen bestimmter Bänder überhaupt nicht eindringen können. Die Infrarotstrahlen, die vom Ende der Zeit und des Raums kommen, sind bereits am Erlöschen und nachdem sie durch die Atmosphäre gefiltert wurden, sind sie sogar noch weniger wirksam. Andererseits ist Infrarotstrahlung überall vorhanden und die warme Erdatmosphäre selbst ist eine enorme Quelle von Infrarotstörungen, die Teleskope daran hindern, im Infrarotbereich gute Beobachtungen durchzuführen.

Daher ist es unmöglich, die Infrarotstrahlen, die aus den tiefsten Teilen des Universums kommen, auf der Erde richtig zu untersuchen. Selbst die leistungsstärksten erdgebundenen Teleskope wie Chinas „Sky Eye“ FAST, das Very Large Array VLA und das im Bau befindliche europäische Extremely Large Telescope E-ELT sind für diese Art der Forschung nicht geeignet.

Die Durchlässigkeit der Erdatmosphäre bei jeder Wellenlänge. In der Mulde wird das Licht absorbiert.

was zu tun? Brechen Sie aus der Atmosphäre aus und begeben Sie sich in den Weltraum. Je weiter weg von diesen Hindernissen, desto besser!

Ist das bekannte Hubble-Teleskop beispielsweise weit genug entfernt? Es ist nicht nur unzureichend, sondern auch unangemessen.

Hubble umkreist die Erde in einer Höhe von 540 Kilometern, wo die Atmosphäre noch dünn ist und es der Infrarotstrahlung nicht entgehen kann. Wenn es in den Tagbereich fliegt und seinen Kopf von der Sonne abwendet, kann es der hellen Oberfläche der Erde nicht ausweichen. Außerdem erzeugt das beleuchtete Teleskop selbst Interferenzen mit Infrarotstrahlung. Glücklicherweise muss sich Hubble keine allzu großen Sorgen machen, da es hauptsächlich im ultravioletten und sichtbaren Lichtband arbeitet.

Webb, dessen Schwerpunkt auf Infrarotbeobachtungen liegt, kann in einer solchen Umgebung jedoch nicht arbeiten. Daher ist sein endgültiger Standort der Sonne-Erde-Lagrange-Punkt L2, der sich außerhalb der Erdumlaufbahn und 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt befindet (viermal die Entfernung zwischen Erde und Mond). Dabei kann das Webb-Teleskop die Sonne zur gleichen Zeit wie die Erde und mit der gleichen Periode umkreisen.

Schematische Darstellung der Umlaufbahn des Webb-Teleskops von der NASA

Hier gibt es keine Atmosphäre und Störquellen wie Sonne, Erde und Mond liegen alle in der gleichen Richtung. Solange diese Richtung blockiert ist, können Sie ungestört dem ersten Babyschrei aus den Tiefen des Universums lauschen.

Die Darstellung des in L2 schwebenden Webb-Teleskops. Sonne, Erde und Mond sind immer in die gleiche Richtung blockiert.

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Ein Handwerker möchte seine Arbeit gut machen? Voller schwarzer Technik

Doch selbst wenn das Webb-Teleskop in den Weltraum geschickt wird, wird es nutzlos sein, wenn das Teleskop selbst nicht leistungsstark genug ist. Das Webb-Teleskop steckt voller toller Dinge. Welche sind das?

Um beim oben erwähnten Problem der Lichtblockierung zu bleiben: Das Webb-Teleskop ist nicht auf L2 fixiert, sondern schwebt kreisförmig um L2 (wie in der Abbildung unten gezeigt).

Schematische Darstellung der Umlaufbahn des Webb-Teleskops von der NASA

Um das Sonnenlicht aus jedem möglichen Winkel auszublenden, ist das Webb-Teleskop mit einer riesigen Sonnenblende ausgestattet. Es hat in etwa die Form eines großen Diamantdrachens mit einem langen Durchmesser von 21 Metern und einem kurzen Durchmesser von 14 Metern und seine Fläche ist mit der eines Tennisplatzes vergleichbar. Der Sonnenschutz besteht aus fünf Lagen aluminiumbeschichteter (die ersten beiden sind mit Silizium dotiert) Polyimidfolie, jede Lage so dünn wie Klebeband und voneinander getrennt.

Das gleichgroße Teststück des Sonnenschirms stammt von der NASA

Dies liegt daran, dass Wärme zwischen Mehrschichtfilmen nur durch Strahlung übertragen werden kann, die schließlich exponentiell abnimmt. Testdaten zeigen, dass bei einer Strahlungsleistung von 300 Kilowatt auf der Sonnenseite des Sonnenschirms die Schattenseite lediglich eine Leistung von 23 Milliwatt aufweist. Diese Leistung reicht aus, um sicherzustellen, dass das Teleskop auf der Schattenseite bei Temperaturen unter -233 Grad Celsius stabil bleibt, wenn die Temperatur der beleuchteten Oberfläche 85 Grad Celsius erreicht. So kann es „im Geheimen beobachten“ und einen Blick auf die Geheimnisse der Geburt des Universums werfen.

Echte geheime Beobachtung, linkes Bild von der NASA

Der Beobachtungspunkt wurde ausgewählt und das Sonnenlicht wird blockiert. Nachdem das Problem der Signalstörungen gelöst wurde, bleibt noch ein großes Problem zu lösen.

Je länger die Beobachtungswellenlänge ist, desto größer muss der Spiegel sein, wie etwa bei den riesigen Objekten auf der Erde, die oft einen Durchmesser von mehreren hundert Metern haben. Um Infrarotlicht besser beobachten zu können, benötigt das Webb-Teleskop einen größeren Spiegel als Hubble.

Vergleich der Hauptspiegelgrößen der Webb- und Hubble-Teleskope der NASA

Der Durchmesser des Hauptspiegels des Hubble beträgt 2,4 Meter und ist damit größer als der von Yao Ming, während der Durchmesser des Hauptspiegels des Webb-Teleskops 6,5 Meter beträgt, also etwa die Höhe von zwei Stockwerken. Die Leistung dieses riesigen Spiegels ist wirklich herausragend: Im 2-Mikrometer-Infrarotbereich kann Webbs Auflösung 0,1 Bogensekunden erreichen, was der Fähigkeit entspricht, einen 80 Kilometer entfernten Tischtennisball zu sehen. Dadurch kann Webb Himmelskörper sehen, die Dutzende Male dunkler sind als die Beobachtungsgrenze des Hubble und 10 Milliarden Mal dunkler als die Beobachtungsgrenze des menschlichen Auges.

Ein Mensch macht ein Foto mit Webb und Hubble (Webb ist der erste von links) von der NASA

Interessanterweise ist der große Spiegel des Webb-Teleskops 6,25-mal größer als der des Hubble-Teleskops, aber überraschenderweise leichter als der des Hubble-Teleskops (625 kg gegenüber 1.000 kg). Auch hier kommt wieder Hochtechnologie zum Einsatz: Die Spiegelplatten des Hubble bestehen aus Glas mit einer Dichte von 2,5 Gramm pro Kubikzentimeter, während die Spiegelplatten des Webb-Teleskops leichter und dünner sind und aus dem Metall Beryllium mit einer Dichte von nur 1,85 Gramm pro Kubikzentimeter bestehen. Daher beträgt die Masse der Spiegelplatte pro Flächeneinheit nur 10 % der Masse des Hubble. Beryllium ist nicht nur leicht und hart genug, sondern hat in der extrem kalten Umgebung, in der sich das Teleskop befindet, auch eine stabilere Form als Glas. Der einzige Nachteil besteht in seiner grauen Farbe und der schlechten Reflektivität, weshalb man den Berylliumspiegel mit einer 0,1 Mikrometer dicken Goldschicht überzogen hat – perfekt.

Vergoldeter Spiegel, Sehen ist Glauben von der NASA

Und schließlich: Wie bekommen wir einen zwei Stockwerke hohen Hauptspiegel und einen Sonnenschutz in der Größe eines Tennisplatzes ins All?

Offensichtlich kann es nur Schicht für Schicht gefaltet und in die Rakete gestopft und dann im Weltraum entfaltet werden. Daher ist Webbs Hauptspiegel keine einzelne Berylliumplatte, sondern besteht aus 18 regelmäßigen sechseckigen kleinen Spiegeln. Um den entfalteten Hauptspiegel präzise zu fokussieren, erfordert das Feinabstimmungssystem jedes kleinen Spiegels eine Schrittgenauigkeit von 5 Nanometern. Das Auseinanderfalten des Sonnenschutzes ist eine komplexere Aufgabe, da etwa 7.000 Teile zusammenarbeiten müssen, um die fünf Folienschichten auseinanderzufalten, zu glätten, festzuziehen und zu isolieren.

So sieht Webb zusammengefaltet aus. Von der NASA

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Ich versetze dich, weil ich High (Tech) und teuer (kostspielig) bin

Nachdem wir über die Hauptaufgaben und das allgemeine Design des Webb-Teleskops gesprochen haben, können wir erklären, warum dieses leistungsstarke und komplexe Teleskop zum „König der Tauben“ geworden ist.

Sonst nichts, nur „die Idee macht eine Zeit lang Spaß, aber die Umsetzung ist ein Krematorium“ und „unterschätzen Sie nicht das niedrige Anfangsbudget, Sie werden ohne Verhandlungen betrogen.“

Erstens ist die Idee zu fortschrittlich und erfordert ein zu hohes Maß an Technologie.

Als die NASA das Projekt 1996 zögerlich startete, war noch nicht einmal klar, wie man ein solches Teleskop bauen sollte. Denn viele damit verbundene Wissenschafts- und Technologiefelder wie Werkstoffkunde, Präzisionsbearbeitung, Automatisierungstechnik und Kühltechnik sind noch nicht vollständig ausgereift.

Beispielsweise wurden für den oben erwähnten Primärspiegel aus Beryllium erst Ende 2001 vorläufige Forschungs- und Demonstrationsdaten vorgelegt. Aufgrund zahlreicher technischer Schwierigkeiten konnten die damit verbundenen Risiken von zehn wichtigen technischen Punkten erst 2007, dem Jahr, in dem der Start des Webb-Teleskops ursprünglich geplant war, weitgehend eliminiert werden. Hinzu kommt, dass neben dem Bau des Teleskops selbst auch das Verpacken eines so großen Objekts und seine präzise Lieferung zum Lagrange-Punkt L2 eine gewaltige technische Herausforderung darstellt.

Webb-Packdiagramm der NASA

Die Konsequenz einer langen Zeit, die mit der Überwindung einer großen Zahl technischer Schwierigkeiten verbracht wird, ist eine Budgetexplosion.

Die Überprüfung des Schlüsseltechnologieprogramms für dieses Teleskop wurde erst 2010 abgeschlossen. Nach der Überprüfung war das Projektbudget von ursprünglich 500 Millionen US-Dollar auf 6,5 Milliarden US-Dollar gestiegen. Im Juli 2011 verlor der US-Kongress die Geduld und drohte mit der Streichung der Mittel. Glücklicherweise beruhigte sich der Kongress im November und stellte zusätzliche Gelder bereit, indem er den Haushalt auf 8,8 Milliarden Dollar erhöhte - fast genug, um zwei atomgetriebene Flugzeugträger zu bauen. Erst nach diesem Sturm erreichte das Projekt die endgültige Entwurfs- und Fertigungsphase.

Was folgt, ist ein langer Zyklus aus Design, Herstellung und Tests. Der Grund für die lange Dauer liegt darin, dass das Teleskop an einem 1,5 Millionen Kilometer entfernten Lagrange-Punkt stationiert ist. Wenn eine Fehlfunktion auftritt, ist es unmöglich, Leute zur Reparatur zu schicken. Dies ist nicht vergleichbar mit dem nahegelegenen Hubble-Teleskop, das ein Space Shuttle rufen kann, um eine „Brille anzubringen“, wenn sich nach dem Start herausstellt, dass die Fokussierung nicht gut ist. Daher muss das Webb-Teleskop am Boden wiederholt auf Fehler überprüft werden, um sicherzustellen, dass keine Fehler auftreten.

Wenn alles gut geht, wird sich Webb von der NASA so entfalten

Aber wie das Sprichwort sagt: Je länger die Nacht, desto mehr Ärger kann sie verursachen. Im Laufe der Zeit ereigneten sich viele unerwartete Ereignisse. So war die Verschiebung im Jahr 2018 auf einen Riss im Sonnenschutz während der Probevorführung zurückzuführen, der zu einer Verzögerung von zwei Jahren führte. Danach gab es allerlei Pech: die COVID-19-Pandemie, die Rakete war nicht fertig... Sogar als der Spiegel in die Kabine gebracht werden sollte, verzögerte sich dies um weitere 4 Tage, weil sich der Befestigungsgurt versehentlich gelöst hatte...

Letztendlich kostete das Projekt fast 10 Milliarden Dollar. Aufgrund des außer Kontrolle geratenen Budgets können viele andere wissenschaftliche Forschungsprojekte keine Mittel aufbringen und nicht durchgeführt werden. In der Branche herrscht großer Unmut darüber. So kritisierte das Magazin Nature das Webb-Teleskop einst dafür, dass es „die Astronomie auffrisst“.

„Das Teleskop, das die Astronomie verschlang“ Nature, Oktober 2010

Aber egal was passiert, da die Astronomie von Webb aufgefressen wurde, muss sie dafür verantwortlich sein! Wünschen wir dem James-Webb-Weltraumteleskop einfach viel Glück! Ich hoffe, dass diese Kristallisation der Spitzentechnologie der Menschheit wie geplant erfolgreich gestartet wird und dass die Mission reibungslos verläuft und in den nächsten zehn Jahren fruchtbare Ergebnisse hervorbringt!

Komm schon, Webb! Originalbild der NASA

Extra: Können wir dieses Mal Außerirdische finden, nachdem wir 10 Milliarden ausgegeben haben?

Die Frage, die viele Freunde vielleicht am meisten interessiert, ist, ob ein solch wunderbares Weltraumteleskop den Menschen dabei helfen kann, Außerirdische zu finden?

Um nach Außerirdischen zu suchen, können wir mit der Suche nach bewohnbaren Exoplaneten beginnen. Allerdings ist die Entdeckung solcher Planeten die Spezialität eines anderen Weltraumteleskops, TESS, und nicht Webbs Hauptgeschäft. Aber Webb ist wirklich dazu in der Lage!

Bei näher gelegenen Sternen kann Webbs extrem hohe Auflösung die großen Planeten um sie herum oder die heißen Sternembryonen von Planeten, die angesammelt und gebildet werden, direkt erkennen. Wenn ein Planet die Möglichkeit hat, vor seinem Mutterstern vorbeizuziehen, kann Webb die dadurch verursachten Änderungen im Spektrum des Sterns analysieren, seine atmosphärische Zusammensetzung bestimmen und nach Hinweisen auf Leben suchen.

Mit dem Webb-Teleskop können außerdem problemlos Exoplaneten und verschiedene kleine Himmelskörper im Sonnensystem beobachtet werden, darunter Satelliten, Kometen, Asteroiden, Zwergplaneten und der Kuipergürtel, um die Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte des Sonnensystems weiter zu erforschen.

Wir erwarten nicht, dass Webb Planeten um Sterne der ersten Generation findet. Sie sind zu weit entfernt, um die kleinen Himmelskörper um sie herum zu sehen. Darüber hinaus verfügte die erste Generation von Sternen gemäß der Zeitlinie der Urknalltheorie nicht über genügend schwere Elemente, um Planeten mit fester Oberfläche zu bilden.

Kurz gesagt können wir nur sagen, dass das Webb-Teleskop in der Lage ist, Spuren von Leben zu entdecken. Ob es jedoch tatsächlich Spuren von Außerirdischen entdecken kann, hängt wahrscheinlich vom Glück ab.

Autor | Qu Jiong, ein populärwissenschaftlicher Autor, hat Arbeiten im Nationalmuseum, der National Space Administration usw. veröffentlicht.

Rezension | Liu Xi, Forscher am Beijing Planetarium, Wissenschaftsfilmregisseur und Autor

Herausgeber | Ding Zong

Dieser Artikel wird von der „Science Rumor Refutation Platform“ (ID: Science_Facts) erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.

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