Warum ist das erste vom Webb-Teleskop zurückgesendete Foto unscharf?

Das Webb-Weltraumteleskop (in diesem Artikel als „Webb“ bezeichnet), das am 25. Dezember 2021 gestartet wurde, erreichte am 24. Januar dieses Jahres nach einmonatiger Reise den 1,5 Millionen Kilometer von uns entfernten zweiten Lagrange-Punkt, trat in die vorbestimmte Umlaufbahn ein und übermittelte bald darauf das erste aufgenommene Foto.

Die NASA (die Abkürzung für National Aeronautics and Space Administration) hat dieses Foto veröffentlicht, auf dem lediglich eine Gruppe etwas verschwommener Sterne zu sehen ist. Zusätzlich schickte es ein Selfie von sich zurück, das ebenfalls unscharf war. (Siehe Bild oben, das sind zwei Fotos, die durch Raum-Zeit-Kommunikation zu einem kombiniert wurden)

Einige Freunde sind möglicherweise enttäuscht, nachdem sie dieses Bild gesehen haben. Nach Jahrzehnten der Entwicklung wurde die Markteinführung des „Weber“ immer wieder verschoben, er hat viel geprahlt, aber das ist auch schon alles, was er kann? Ist die Investition von 10 Milliarden Dollar wert? Seien Sie nicht ungeduldig, lassen Sie mich den Ursprung dieses Fotos erklären, und dann können Sie Ihre Gefühle ausdrücken.

Dieser Haufen Sternenlicht ist eigentlich nur ein Stern

Dieses von Webb zurückgesandte Sternenlichtfoto zeigt 18 helle Flecken (von denen zwei möglicherweise zusammengedrückt sind), die wie 18 Planeten aussehen, aber eigentlich nur ein Stern sind. Der Stern befindet sich etwa 258 Lichtjahre entfernt im Sternbild Großer Bär und trägt die Bezeichnung HD 84406.

Tatsächlich handelt es sich hierbei um ein Foto von „Weber“, wie er die Kamera testet, und es ist nicht nur ein Foto, das so aussieht. „Weber“ arbeitete nach dem Aufwachen 25 Stunden lang und machte mehr als 1.500 Fotos, um sie zu diesem hier zusammenzufügen. Der Grund, warum dieser Stern für das erste aufgenommene Foto ausgewählt wurde, liegt darin, dass dieser Stern mit einer scheinbaren Helligkeit von 6,9 sehr hell ist. Es liegt genau an der Löffelmündung des Großen Wagens und der Abstand zwischen der scheinbaren Entfernung und der flachen Löffelmündung beträgt etwa eine Löffelmündung (siehe Bild oben).

Die Helligkeit der mit bloßem Auge am Nachthimmel sichtbaren Sterne wird in der scheinbaren Helligkeit gemessen. Je größer der Wert, desto dunkler ist es, und je kleiner der Wert, desto heller ist es. Es gibt auch negative Zahlen, und je negativer der Wert, desto heller ist es. Das menschliche Auge kann nur die schwächsten Sterne bei einer Helligkeit von 6 sehen, Sterne über 6 können jedoch nicht erkannt werden. Daher ist der Stern HD 84406 für das menschliche Auge unsichtbar, für das Webb-Teleskop jedoch ein Kinderspiel.

Das Webb-Teleskop weist jedoch immer noch einen „Astigmatismus“ auf und hat seine „Sicht“ noch nicht korrigiert, sodass es einen Stern als Referenz finden muss. Dieser Stern darf weder zu dunkel noch zu hell sein. Die Helligkeit dieses Sterns mit der Bezeichnung HD 84406 genügt gerade den Anforderungen und es gibt keine Störungen durch andere Himmelskörper in seiner Umgebung. Es ist die beste Wahl zur Korrektur Ihres „Astigmatismus“.

Der Grund für die Bezeichnung „Astigmatismus“ bei „Weber“ liegt darin, dass sein Hauptspiegel aus 18 kleinen sechseckigen Spiegeln mit einem Durchmesser von 6,5 Metern und einer Fläche von 25 Quadratmetern besteht. Ein so großer Spiegel kann nicht direkt gestartet werden. Es muss gefaltet und in eine Rakete gelegt werden und nach dem Start ins All wieder entfaltet werden.

Dadurch weicht die Brennweite der einzelnen Spiegel ab und die Sterne werden nicht mehr auf einen Punkt fokussiert, sodass eine Neujustierung erforderlich ist. Diese kleinen Spiegel können unabhängig voneinander rotieren und mit einer Genauigkeit von Nanometern eingestellt werden, was etwa einem Zehntausendstel eines Haares entspricht. Für die Justierung ist jedoch ein Referenzobjekt erforderlich. Der Zweck der Fotografie dieses Sterns mit der Bezeichnung HD 84406 besteht daher darin, ihn als Referenzobjekt für die Justierung des Spiegels zu verwenden.

Das jetzt zurückgesendete Foto mit 18 hellen Flecken wurde von jedem kleinen Spiegel des „Webb“-Hauptspiegels aufgenommen. Basierend auf dem Winkel, in dem jede Linse auf den Stern scheint, können Wissenschaftler und das automatische Kalibrierungsgerät des Teleskops die Linsen so einstellen, dass sie schließlich einen Brennpunkt bilden und der „Astigmatismus“ beseitigt wird.

Das Selfie wurde mit einer Kamera aufgenommen, die auf einem Sekundärspiegel montiert ist, der wiederum auf einer Halterung montiert ist, die 8 Meter vom Primärspiegel entfernt ist. In diesem Selfie gibt es einen kleinen Spiegel, der blendendes Licht ausstrahlt, weil der kleine Spiegel auf einen bestimmten Stern gerichtet ist und das Licht reflektiert.

Bei diesem Selfie handelt es sich nicht um ein eingebildetes Foto von Weber, es dient jedoch als ganz wichtige Referenz für die Anpassung. Bis die Anpassung erfolgt ist, dürfte es noch viele weitere solcher Selfies geben.

Die Wissenschaftler, die Webb entwickelt und betreut haben, waren außer sich vor Freude über diese beiden scheinbar unbedeutenden Fotos, denn sie symbolisierten, dass Webb nicht nur präzise und an seinem Platz war, sondern auch seine Flügel ausgebreitet und seine Augen geöffnet hatte. Sobald die Anpassung abgeschlossen ist, werden seine scharfen Augen den Menschen die Geheimnisse verraten, die es gesehen hat und die den Menschen unbekannt sind.

Wie leistungsstark ist das Webb-Teleskop?

Der vollständige Name von „Webb“ lautet James Webb Space Telescope, benannt nach James Webb, dem zweiten Direktor der NASA. James arbeitete vom 14. Februar 1961 bis zum 7. Oktober 1968 bei der NASA und leistete herausragende Beiträge zur Raumfahrtindustrie der Vereinigten Staaten und sogar der Menschheit, insbesondere zum Apollo-Mondlandungsprogramm in den 1960er Jahren.

Um diesem 1992 verstorbenen Pionier der Luft- und Raumfahrt ein Denkmal zu setzen, wurde dieses Spitzen-Weltraumteleskop nach ihm benannt.

„Webb“ ist der Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops (in diesem Artikel manchmal als „Hubble“ bezeichnet), das 30 Jahre lang im Einsatz war und bald außer Dienst gestellt wird. Es handelt sich um das leistungsstärkere Weltraumteleskop nach „Hubble“. Seine Öffnung ist 2,7-mal so groß wie die von „Hubble“ und seine Fläche mehr als fünfmal so groß wie die von „Hubble“, aber seine Masse beträgt nur 6,5 Tonnen, also mehr als die Hälfte der 11 Tonnen von „Hubble“.

Das größte Merkmal dieses Teleskops ist seine Fähigkeit, im Infrarotbereich zu beobachten. Nicht alle Himmelskörper senden sichtbares Licht aus, aber sie senden auf jeden Fall Infrarotlicht aus. Solange eine geringe thermische Bewegung vorhanden ist, wird sie von Webb beobachtet. Dies erfordert, dass das Teleskop in einer Umgebung nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) betrieben wird, da selbst eine geringe Wärmestrahlung die Infrarotbeobachtungen erheblich beeinträchtigen würde.

Daher muss das Webb-Teleskop nicht nur im kalten Weltraum arbeiten, sondern sein Spiegel wird auch immer von der Sonne abgewandt sein. Um die thermische Sonneneinstrahlung zu vermeiden, versteckt sich „Webb“ nicht nur im Schatten der Erde, sondern verfügt auch über einen eigenen dicken, mehrschichtigen „Sonnenschutz“, der ein bisschen wie ein riesiges offenes Buch ist und die Sonne und das Teleskop abschirmt, sodass die Haupt- und Nebenteleskope von „Webb“ vollständig in die kalte Dunkelheit eingetaucht arbeiten können.

Darüber hinaus ist es notwendig, zur Kühlung der eigenen Geräte eigenes flüssiges Helium zu verwenden. Durch die Strahlung in den Weltraum kann die Temperatur des Hauptspiegels auf unter -223 °C gesenkt, das Nahinfrarot-Instrument auf unter -233 °C und das Mittelinfrarot-Instrument (MIRI) auf unter -266 °C gekühlt werden!

Nachdem Webb in den Weltraum geschossen wurde, entfaltete es während seiner rasanten Reise nach und nach seinen gefalteten Spiegel. Nachdem es am 24. Januar 2022 die zweite Zielumlaufbahn des Lagrange-Punkts erreicht hatte, begann es mit der Kühlung seiner wichtigsten Systeme. Nun nähert man sich langsam der Betriebstemperatur, allerdings besteht noch eine gewisse Lücke.

Man kann sagen, dass die Entwicklung und der Start von „Webb“ vorsichtiger waren als bei allen vorherigen Raumfahrzeugen, und auch die Investitionen sind enorm. Dieses Weltraumteleskop wurde gemeinsam von der NASA, der ESA und der kanadischen Weltraumbehörde entwickelt. Es dauerte 25 Jahre sorgfältiger Forschung und Entwicklung, bis es schließlich ins All geschossen wurde.

Die Entwicklungsphase von „Webb“ begann 1996 durch eine Ausschreibung. Nach über einem Jahrzehnt kontinuierlicher Steigerung stieg das Investitionsbudget von anfänglich 500 Millionen US-Dollar auf 8,8 Milliarden US-Dollar im Jahr 2013. Der Starttermin war ursprünglich für 2007 geplant, wurde jedoch immer wieder verschoben, bis Ende 2021 der erfolgreiche Start ins All erfolgte.

Am Ende überstiegen die Gesamtkosten von „Webb“ 10 Milliarden US-Dollar, also fünfmal mehr als die rund 2 Milliarden US-Dollar, die für das Hubble-Teleskop ausgegeben wurden. Natürlich wurden nach dem Start des Hubble-Teleskops fünf Astronautengruppen ins All geschickt, um Teile auszutauschen oder Reparatur- und Wartungsarbeiten durchzuführen. Zusammen mit den anschließenden Wartungskosten belief sich die Gesamtinvestition auf nicht weniger als 5 Milliarden US-Dollar. Aber im Vergleich zum „Weber“ ist er immer noch ein Zwerg.

Der Grund für die gute Wartung des Hubble liegt darin, dass es in der niedrigen Erdumlaufbahn in einer Höhe von nur 575 Kilometern operiert. Das Webb-Teleskop arbeitet am zweiten Lagrange-Punkt, 1,5 Millionen Kilometer von uns entfernt, und es ist grundsätzlich unmöglich, es zu warten. Deshalb können wir nur noch alles geben, wenn es erst einmal ins All gestartet ist. Dies ist auch der Hauptgrund, warum der Start des Webb-Teleskops immer wieder verschoben und es kontinuierlich verbessert wurde.

Es gibt kein Zurück mehr vom Start des Webb-Teleskops. Es muss ein erfolgreicher Start sein, sonst werden die 10 Milliarden Dollar verschwendet und es bleibt nicht einmal eine Blase übrig. Nach 25 Jahren Forschung und Entwicklung sollte die Markteinführung voller Zuversicht erfolgen, ist aber dennoch nervenaufreibend. Kommt es zu einem kleinen Unfall, etwa einer fehlenden Flugbahnänderung oder einem Mikrometeoriteneinschlag, sind alle bisherigen Bemühungen umsonst.

Zum Glück ist alles gut gegangen. Obwohl es sich bei dem aufgenommenen Foto lediglich um ein Kalibrierungsbild handelte, waren auch die Wissenschaftler, die „Weber“ entwickelt und verwaltet haben, begeistert, denn dieses Foto symbolisierte, dass „Weber“, der weit vom Menschen entfernt ist und große Hoffnungen für die Menschheit in sich trägt, erfolgreich an Ort und Stelle ist, sich „gut“ fühlt und aufwacht und sich auf die Arbeit vorbereitet.

Welche Hoffnungen liegen in dem Webb-Teleskop?

Was die Menschen durch „Weber“ am meisten herausfinden möchten, ist der Ursprung des Universums, der die Grundlage aller Dinge bildet, und die grundlegende Frage, woher die Menschen kommen und wohin sie gehen. „Weber“ hat das Potenzial, zum Auge der Menschheit zu werden und die letzten Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln. Seine Hauptaufgabe besteht insbesondere darin, die verbleibenden Infrarotbeweise des Urknalls zu untersuchen und den Zustand des frühen Universums zu beobachten.

Ausgehend von diesem Ziel wird sich das Webb-Teleskop auf die Abtastung und Erkundung der Tiefen des dunklen und kalten Weltraums konzentrieren, wobei es völlig vom Sonnenlicht abgeschirmt ist und nach Hinweisen auf die frühe Entstehung des Universums sucht. Einige Wissenschaftler sagen voraus, dass es mit „Webers Fähigkeiten“ möglich sein wird, den ersten Lichtstrahl nach dem Urknall zu sehen.

Dieser Lichtstrahl entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall, als sich elektromagnetische Wellen vom Zustand hoher Temperatur und hoher Dichte zu Beginn des Urknalls entkoppelten. Das vor 30 Jahren gestartete Hubble-Teleskop hat herausgefunden, dass die am weitesten entfernte Galaxie 13,4 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist.

Wenn das Webb-Teleskop diesen Lichtstrahl einfangen kann, wird es Sternenlicht in 13,82 Milliarden Lichtjahren Entfernung sehen und die Menschheit in den Zeittunnel des gesamten Universums führen. Wissenschaftler können Einblicke in den Entstehungsprozess des ersten Atoms nach dem Urknall, die Erscheinung des ersten Nebels, den Entstehungsprozess der ersten Galaxie und des ersten Sterns gewinnen und die Entstehung des Universums bis heute zurückverfolgen. Vielleicht gelingt es ihnen auch, das Rätsel der dunklen Materie und der dunklen Energie zu lösen.

Natürlich stellen die verschiedenen kosmischen Phänomene wie Galaxien und Himmelskörper, die das Hubble-Teleskop entdecken kann, für das Webb-Teleskop kein Problem dar. Während seiner Dienstzeit von mindestens zehn Jahren wird er in der Zukunft weitere kosmische Geheimnisse lüften und den Menschen ein tieferes Verständnis des Universums und ihres eigenen Sonnensystems ermöglichen.

Jetzt ist „Weber“ gerade aufgewacht. Es hat sich gestreckt und öffnet seine verschwommenen Augen. Nach der Konzentration und Abkühlung wird es der Menschheit sicherlich eine Überraschung oder ein Erstaunen nach dem anderen bescheren. Was denken Sie? Willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

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