Was sind die Vorteile des Webb-Teleskops? Die Mission steht kurz bevor. Wird es schockierende Entdeckungen geben?

Das Hubble-Weltraumteleskop (im Folgenden „Hubble“ genannt), das jahrzehntelang viel Aufmerksamkeit auf sich zog, wurde in letzter Zeit vernachlässigt, und die Aufmerksamkeit der Menschen hat sich auf den „Neuling“ unter den Weltraumteleskopen verlagert, das Webb-Teleskop (im Folgenden „Webb“ genannt). Wir dürfen nicht zulassen, dass Hubble alt wird und seine Anziehungskraft verliert, und wir dürfen nicht seine außergewöhnlichen Beiträge zur menschlichen Erforschung des Universums vergessen.

Was also ist der Unterschied zwischen „Hubble“ und „Webb“ und was ist die Stärke des aufstrebenden „Webb“?

Vereinfacht ausgedrückt konzentrieren sich die Unterschiede zwischen den beiden Teleskopen auf drei Aspekte:

Erstens ist die Art der Beobachtung anders. Hubble verwendet für Beobachtungen hauptsächlich sichtbares Licht und ultraviolettes Licht mit Wellenlängen zwischen 200 Nanometern und 2,4 Mikrometern; während Webb bei Wellenlängen zwischen 600 Nanometern und 28 Mikrometern beobachtet, hauptsächlich im Infrarotbereich. Infrarot ist unsichtbares Licht, das Wolken und Nebel gut durchdringen kann und Bilder aus größerer Entfernung und klarer erkennen lässt.

Zweitens ist die Größe der Hauptspiegelöffnung unterschiedlich. Die Hauptspiegelöffnung von Webb beträgt 6,5 Meter, also das 2,7-fache der von Hubble. Die Lichtsammelfähigkeit von Webb ist mehr als sechsmal so groß wie die von Hubble. Daher kann Webb Himmelskörper sehen, die dunkler und weiter entfernt sind als Hubble. Hubble kann Himmelskörper mit einer Helligkeit von 30 sehen und der am weitesten entfernte ist 13,4 Milliarden Lichtjahre entfernt. Theoretisch kann Webb 13,8 Milliarden Lichtjahre weit sehen, also 400 Millionen Lichtjahre weiter als Hubble, und kann das junge Universum zu Beginn des Urknalls sehen.

Auch hier sind die Gleishöhen unterschiedlich. Hubble befindet sich in einer niedrigen Erdumlaufbahn, nur 575 Kilometer von der Erde entfernt, während Webb am Lagrange-Punkt L2 positioniert ist, 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Einer davon ist also ein Erdsatellit, der die Erde umkreist, und der andere ist ein Solarsatellit, der die Sonne umkreist. Sie befinden sich auf völlig unterschiedlichen Ebenen. Im Vergleich zu „Hubble“ ist „Weber“ weiter von der Erde und anderen Himmelskörpern entfernt, weist eine ruhigere Umgebung auf und wird nicht durch atmosphärische Turbulenzen gestört.

Natürlich ist das „Webb“ nicht so gut wie das „Hubble“, da es beispielsweise zu weit entfernt ist und nicht gewartet werden kann. Es muss also auf einmal erfolgreich sein, sonst wären alle bisherigen Bemühungen umsonst gewesen. und das Hubble hatte Probleme, sobald es ins All geschossen wurde. Da es sich in einer niedrigen Erdumlaufbahn befindet, wurden Space Shuttles und Astronauten schon oft zur Wartung dorthin geschickt, sonst wären seine aktuellen Erfolge nicht möglich gewesen.

Was die Kosten betrifft, so kostete der Start von Webb 10 Milliarden Dollar, also das Fünffache der Gesamtkosten für die Herstellung, den Betrieb und die Wartung des Hubble über die Jahre hinweg. Die Sicherheit von „Webb“ wurde garantiert, und sein Start wurde für Korrekturen immer wieder verschoben. Die Planung und der Bau dauerten 25 Jahre. Die Lebensdauer von „Hubble“ beträgt 22 Jahre, während die geplante Lebensdauer von „Webb“ lediglich 10 Jahre beträgt.

Was hat das Webb-Teleskop bereits gesehen?

Insgesamt wurde das Webb-Teleskop gerade erst debuggt. Da Infrarotbänder zur Beobachtung weit entfernter Himmelskörper verwendet werden, sind sehr raue Umgebungsbedingungen erforderlich. Es darf keine Wärmestrahlung vorhanden sein und die Umgebungstemperatur des Teleskops selbst muss auf nahe den absoluten Nullpunkt gesenkt werden.

Der absolute Nullpunkt wird im Allgemeinen mit 0 K bezeichnet und in Grad Celsius als -273,15 °C ausgedrückt. Jedes Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt sendet Infrarotstrahlung aus. Daher muss „Webb“ in einem weit von der Erde entfernten Raum ohne oder mit nur sehr geringer thermischer Strahlungsstörung betrieben werden und das Teleskop selbst muss mit seinem eigenen flüssigen Helium gekühlt werden.

Um die Sonneneinstrahlung zu blockieren, ist „Webb“ mit einem riesigen Sonnenschirm ausgestattet, der im geöffneten Zustand so groß ist wie ein Tennisplatz. Der Hauptspiegel des „Webb“-Teleskops und wichtige Instrumente sind im Schatten des Sonnenschirms verborgen und blicken in der kalten Dunkelheit immer wieder ins Universum. Die Temperatur des Hauptspiegels des Webb-Teleskops muss auf unter minus 223 Grad Celsius gesenkt werden, die Temperatur des Nahinfrarot-Instruments muss auf unter minus 233 Grad Celsius gesenkt werden und das Mittelinfrarot-Instrument muss auf unter minus 266 Grad Celsius gekühlt werden.

Um das riesige Teleskop während des Starts in den schmalen Raketenkopf einzupassen, müssen Hauptspiegel und Schirm des gesamten Teleskops gefaltet und kurz vor dem Ziel langsam geöffnet werden. Nach dem Öffnen muss die Brennweite des Objektivs neu eingestellt werden, was eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt.

„Webb“ wurde um 13.15 Uhr von einem Stützpunkt in Frankreich gestartet. Ortszeit am 25. Dezember 2021. Einen Monat später erreichte es den geplanten Lagrange-Punkt L2, öffnete den Hauptspiegel und die Sonnenblende und machte das erste Foto. Als die NASA dieses Foto am 12. Februar veröffentlichte, waren viele Menschen enttäuscht.

Auf diesem Bild sind 18 verschwommene Sterne zu sehen. Laut NASA handelt es sich dabei um eine Zusammenstellung von über 1.500 Fotos, die Webb in 25 Stunden aufgenommen hat. Dies ist nur ein Foto eines Sterns namens HD 84406. Es ist nur ein Bild verschiedener Winkel, aufgenommen von den 18 sechseckigen kleinen Spiegeln des „Webb“-Hauptspiegels, von denen jeder unabhängig arbeitet, weil diese 18 kleinen Spiegel gerade erst ausgefahren und noch nicht fokussiert wurden.

Es stellt sich heraus, dass dies ein Testfoto ist, das aufgenommen wurde, um Fokussierungsparameter zu ermitteln. Diese 18 kleinen Linsen agieren unabhängig voneinander, daher kommt es natürlich zu Astigmatismus. Als nach der Justierung das Sternenlicht der 18 kleinen Spiegel auf einen Punkt fokussiert wurde, bot sich ein spannendes Bild: Ein heller und klarer Stern erschien und signalisierte damit, dass „Weber“ erfolgreich an seinem Posten angekommen war und alles normal war!

In den folgenden Monaten wurde „Weber“ verfeinert. Am 16. März veröffentlichte das Webb-Wissenschaftsteam ein weiteres Bild eines hellen Sterns namens 2MASS J17554042+6551277. Bei diesem Bild handelt es sich nicht mehr um ein zusammengesetztes Bild, sondern um ein einzelnes Bild des Sterns, das durch das Zusammenwirken aller Linsen aufgenommen wurde. Wissenschaftlern zufolge handelt es sich hierbei um das Infrarotbild mit der höchsten Auflösung, das jemals aus dem Weltraum aufgenommen wurde.

Am 2. Mai 2022 gab die NASA bekannt, dass die Kalibrierung von Webb am 28. April abgeschlossen sei. Nach einer umfassenden Überprüfung konnten die vier wissenschaftlichen Instrumente an Bord von Webb scharfe und gut fokussierte Bilder aufnehmen. Dies symbolisiert, dass „Weber“ in seine offizielle Dienstzeit eingetreten ist und begonnen hat, seine Fähigkeiten unter Beweis zu stellen.

Was wird Weber jetzt sehen?

Hubble hat Sterne im Umkreis von 12,9 Milliarden Lichtjahren und Galaxien im Umkreis von 13,4 Milliarden Lichtjahren „gesehen“. Kann Webb das übertreffen?

Die NASA behauptet schon lange, dass Webb den Menschen noch größere Überraschungen bescheren und Hubbles Vision um weitere 400 Millionen Lichtjahre voranbringen wird. Das bedeutet, dass Hubble aufgrund seiner Fähigkeit, Galaxien in 13,4 Milliarden Lichtjahren Entfernung zu sehen, auch Himmelskörper in 13,8 Milliarden Lichtjahren Entfernung erkennen kann.

Wir wissen, dass der Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren stattfand. Wenn wir bis zu einer Entfernung von 13,8 Milliarden Lichtjahren sehen können, können wir den ersten Lichtstrahl des Urknalls sehen! Die Urknalltheorie ist bislang noch eine Hypothese. Wenn wir den ersten Lichtstrahl des Urknalls in 13,8 Milliarden Lichtjahren Entfernung sehen, wird diese wissenschaftliche Hypothese bestätigt. Was für eine schockierende wissenschaftliche Leistung.

Von da an wird die Geschichte der Entwicklung und Evolution des Universums immer klarer und die Fragen, woher das Universum kam, wohin es geht und wie die Zukunft aussehen wird, werden beantwortet. Darüber hinaus werden damit auch die Fragen gelöst, die die Menschheit seit Tausenden von Jahren beschäftigen: Woher die Menschen kommen, wohin sie gehen und was ihr künftiges Ziel ist.

Allerdings scheinen die Wissenschaftler es nicht eilig zu haben, das Geheimnis der „Weitsichtigkeit“ zu lüften, sondern wollen zunächst das Problem der „Myopie“ lösen. Erst vor zwei Tagen kündigte die NASA die bevorstehende Mission von Webb an, Beobachtungen zweier Planeten durchzuführen. Dies sind zwei typische Exoplaneten (Exoplaneten außerhalb des Sonnensystems, siehe unten), die als heiße „Supererden“ bezeichnet werden.

Einer von ihnen heißt LHS 3844 b und der andere 55 Cancri e, die 49 bzw. 41 Lichtjahre von uns entfernt sind. Bei beiden Planeten handelt es sich um Gesteinsplaneten, die sich jedoch sehr nahe an ihren Muttersternen befinden und daher sehr heiß sind.

Wissenschaftliche Untersuchungen und Forschungen gehen davon aus, dass Leben und Zivilisation grundsätzlich nur auf Planeten entstehen können. Im Sonnensystem wurde außer auf der Erde auf keinem anderen Planeten, Satelliten oder Zwergplaneten Leben gefunden, geschweige denn Anzeichen von Zivilisation. Deshalb begannen Wissenschaftler bereits im letzten Jahrhundert, nach Planeten außerhalb des Sonnensystems zu suchen.

Bis heute hat die wissenschaftliche Gemeinschaft mithilfe verschiedener Teleskope 5.000 Exoplaneten entdeckt. Der nächstgelegene dieser Exoplaneten ist nur 4,22 Lichtjahre von uns entfernt, der am weitesten entfernte Zehntausende Lichtjahre.

Doch mit den derzeitigen Beobachtungsmethoden des Menschen können selbst die modernsten Teleskope keine extrasolaren Sterne deutlich erkennen, geschweige denn Exoplaneten. Selbst Proxima Centauri, das nur 4,22 Lichtjahre entfernt ist, bildet da keine Ausnahme. Dies liegt daran, dass sie zu weit von uns entfernt sind und keinen minimalen Auflösungswinkel auf unserer Netzhaut bilden können. Egal wie groß das Teleskop ist, wir können nur einen Lichtpunkt sehen.

Planeten sind noch schwieriger zu sehen und die meisten von ihnen werden durch die Okkultationsmethode oder die Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt. Bei der sogenannten Okkultationsmethode blockiert der Planet, wenn er sich zwischen uns und dem Stern befindet, ein wenig von dessen Licht. Durch die Analyse der Lichtvariation des Sterns mithilfe von Instrumenten können wir feststellen, ob sich in der Mitte ein Planet befindet. Anschließend können wir auf der Grundlage der durch die Wechselwirkung zwischen Planet und Stern verursachten Gravitationsstörungen die Entfernung und Masse des Planeten und des Sterns berechnen.

Daher sind die Erwartungen an Weber hoch.

Da Exoplaneten mit optischen Teleskopen grundsätzlich unsichtbar sind, verwendet Webb Infrarotbeobachtungen. Jedes Objekt mit Temperatur sendet Infrarotstrahlen aus. Auf diese Weise kann Webb Planeten „sehen“, die für optische Teleskope unsichtbar sind. Daher hofft man, dass Webb dazu beitragen kann, einige der Geheimnisse der Exoplaneten zu lösen, selbst der sehr nahe gelegenen. Das ist das, was ich ein „kurzsichtiges“ Ziel nenne.

LHS 3844 ist ein roter Zwergstern mit geringer Leuchtkraft. Der Planet LHS 3844 b, der diesen roten Zwerg umkreist, hat einen Durchmesser von etwa dem 1,3-fachen der Erde und ist nur etwa 900.000 Kilometer vom Hauptstern entfernt. Aufgrund der niedrigen Temperatur des Roten Zwergs reicht die auf den Planeten abgestrahlte Energie jedoch nicht aus, um das Gestein zu schmelzen. Die Oberflächentemperatur beträgt nur etwa 525 Grad Celsius und ist damit etwas höher als die Oberflächentemperatur der Venus.

LHS 3844 b umkreist seinen Stern mit relativ hoher Geschwindigkeit und benötigt für eine Umlaufbahn 11 Stunden. Das Problem, das „Webb“ lösen möchte, besteht darin, sein Bordgerät MIRI für den mittleren Infrarotbereich zu verwenden, um durch eine Spektralanalyse im mittleren Infrarotbereich die verschiedenen Gesteinszusammensetzungen des Planeten zu ermitteln und so seine Oberflächenzusammensetzung und das Vorhandensein einer Atmosphäre zu bestimmen.

55 Cancri e ist ein Gesteinsplanet mit der 8,63-fachen Masse der Erde. Er ist nur etwa 2,3 Millionen Kilometer von seinem Stern entfernt und hat eine Umlaufzeit von 18 Stunden. Sein Mutterstern ist ein sonnenähnlicher Stern. Die Sonne ist natürlich viel heißer als ein roter Zwerg, daher ist der Planet sehr heiß und seine Oberflächentemperatur erreicht tagsüber 2.400 Grad Celsius. Die Temperatur von Lava beträgt lediglich 900–1.200 Grad Celsius und der Schmelzpunkt von Eisen liegt bei lediglich 1.535 Grad Celsius. Daher kann sich die der Sonne zugewandte Seite dieses Planeten nur in einem geschmolzenen Zustand befinden.

Einige Studien gehen davon aus, dass dieser Planet durch die Gezeitenkräfte an den Stern gebunden ist, das heißt, er ist immer dem Stern zugewandt, sodass eine Seite des Planeten immer glühend heiß ist, während die vom Stern abgewandte Seite immer kalt ist. Andere Studien gehen davon aus, dass dieser Planet eine dichte Atmosphäre aus Sauerstoff oder Stickstoff haben könnte.

Diese lassen sich jedoch nicht bestätigen und sind umstritten. Optische Teleskope können diese nicht auflösen, aber Webbs Infrarotspektroskopieanalyse hat das Potenzial, diese Geheimnisse zu lüften. Das Studium dieser beiden Planeten kann sehr hilfreich sein, um zu verstehen, wie die Erde in ihrer Frühzeit aussah.

Was Webbs spätere Missionen angeht, denke ich, dass er sich eine Zeit lang allein mit Exoplaneten beschäftigen wird. Unter den mehr als 5.000 entdeckten Exoplaneten gibt es viele erdähnliche Planeten in der bewohnbaren Zone. Diese Planeten werden oft als große Cousins ​​der Erde, Bruder der Erde, Erde 2.0 usw. gepriesen. Einige Studien gehen davon aus, dass einige Planeten flüssiges Wasser und eine Atmosphäre und vielleicht auch Leben besitzen könnten.

Da es jedoch nicht durch optische Teleskope sichtbar ist, können wir nur Vermutungen anstellen. Zwar gab es in der Vergangenheit Teleskope wie das Wide-field Infrared Survey Telescope (WISE) und das Spitzer-Teleskop (SST), die Infrarotbänder für Beobachtungen nutzten, doch werden sie vom „Webb“ in den Schatten gestellt und sind zu naiv. Allein der Durchmesser des Hauptspiegels beträgt beim „Wide Field“ nur 40 cm, beim „Spitzer“ nur 85 cm und beim „Weber“ 6,5 Meter. Daher sind die von ihnen erlangte Anerkennung und Klarheit völlig unterschiedlich (siehe Abbildung oben).

Das ist der große Wert von „Weber“. Man hofft nicht nur, dass „Weber“ in Zukunft den Ursprung des Universums erkennen kann, sondern hofft auch, außerirdisches Leben und außerirdische Zivilisationen zu entdecken. Wenn dies gelingen kann, wäre dies ein gewaltiger Durchbruch in der wissenschaftlichen Forschung der Menschheit und würde die Welt schockieren.

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