Das Webb-Weltraumteleskop, dessen Bau mehrere zehn Milliarden Dollar kostete und 25 Jahre dauerte, wurde endlich gestartet! Wie unterscheidet es sich von Hubble?

Das Weltraumteleskop „Webb“ ist endlich gestartet! Die Kosten beliefen sich auf mehrere zehn Milliarden Dollar, und der Start ins All war für 14 Jahre geplant. Warum hat es so lange gedauert? Wie unterscheidet es sich von Hubble?

Am 25. Dezember 2021 um 20:20 Uhr Pekinger Zeit wurde nach mehreren Jahren Verzögerung der „Nachfolger“ des Hubble-Weltraumteleskops, das James Webb-Weltraumteleskop, vom Weltraumzentrum Kourou in Französisch-Guayana gestartet.

Berichten zufolge kostet das Webb-Weltraumteleskop etwa 10 Milliarden US-Dollar, ist sechsmal größer als das Hubble-Teleskop und soll das Universum vor 13,5 Milliarden Jahren beobachten.

▲Diagramme der Instrumente im integrierten wissenschaftlichen Instrumentenmodul des Webb-Teleskops und zugehörige Anzeigen des Start- und Betriebsvorgangs (Fotoquelle: Beijing Science and Technology News)

Fünfundzwanzig Jahre Spiegelpolieren

▲Fünf Lagrange-Punkte (grüne Punkte) des Zweikörpersystems Erde (blauer Punkt) – Sonne (gelber Punkt)

Es ist 25 Jahre her, seit die NASA 1996 mit der Suche nach einem Plan zum Bau dieses neuen Weltraumteleskops begann. Als eines der komplexesten Projekte in der Geschichte der NASA birgt das Webb-Teleskop enorme Risiken. Das „Webb-Weltraumteleskop“ soll am zweiten Lagrange-Punkt der Sonne-Erde-Beziehung platziert werden, 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt (die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Mond beträgt 380.000 Kilometer). Da es zu weit von der Erde entfernt ist, um Astronauten zur Reparatur und Wartung dorthin zu schicken, müssen Konstruktion und Herstellung perfekt sein, sonst wird es versagen! Daher führen alle während des Tests entdeckten unbekannten Probleme zu einer Verzögerung der Markteinführung.

Die „Dreifaltigkeit“ optischer Komponenten

Die optischen Systemkomponenten des Webb-Teleskops sind die wichtigste Nutzlast. Sie zeichnen sich durch eine große äquivalente Apertur, eine hohe Oberflächenreflexion, eine hervorragende Leistung in extrem kalten Umgebungen und eine gute Fokussiergenauigkeit aus und stellen somit eine technologische und ingenieurstechnische Innovation dar. Bei der optischen Systembaugruppe handelt es sich um ein „Drei-Spiegel-System“, bestehend aus dem Primärspiegel (Primärspiegel), dem Sekundärspiegel (Sekundärspiegel) und dem dritten Spiegel – dem optischen Subsystem. Die komplette optische Systembaugruppe ähnelt einem Radioteleskop.

▲Funktionsprinzip optischer Komponenten

Der Hauptspiegel ist der größte und schwerste und erfordert eine große Stützstruktur. Es ist schwierig, daraus eine einzige Spiegeloberfläche zu schleifen, und es lässt sich nicht in die Verkleidung bestehender Trägerraketen integrieren. Daher besteht der Primärspiegel aus 18 unabhängigen hexagonalen Linsen. Die sechseckigen Linsen lassen sich einfach und nahtlos zu einem nahezu kreisrunden Hauptspiegel zusammenfügen. Der äquivalente Durchmesser jeder Linse beträgt 1,32 Meter. Nach dem Spleißen beträgt die gesamte polierte Fläche des Hauptspiegels 26,3 Quadratmeter. Ohne die verdeckten Teile des Sekundärspiegels und der Stützpfeiler beträgt die effektive Sammelfläche 25,4 Quadratmeter und übertrifft damit den Primärspiegel des Hubble-Teleskops bei weitem.

Um sicherzustellen, dass jede Linse des Hauptspiegels genau fokussiert werden kann und gleichzeitig eine extrem hohe Präzision während der Verarbeitung gewährleistet ist, sind auf der Rückseite jeder Linse 6 Mikroantriebsmotoren installiert. In der Mitte des Hauptspiegels befindet sich außerdem ein Motor zur Anpassung der Krümmung. Um die Linsen des Hauptspiegels zu einem einzigen großen Spiegel auszurichten, wird jede Linse auf ein Zehntausendstel der Dicke eines Haares ausgerichtet. Inklusive der Verstellbewegungen weiterer Instrumente ist das gesamte Teleskop mit insgesamt 132 Mikromotoren ausgestattet.

▲Die hintere Struktur der Linse

Nach Durchlaufen mehrerer Prozesse beträgt die endgültige Masse der Berylliumlinse 20 Kilogramm und ihre Masse pro Flächeneinheit beträgt nur ein Zehntel der Masse des Hauptspiegels des Hubble-Teleskops. Einschließlich Motoren und anderer Komponenten beträgt die Gesamtmasse der Linsen nur 40 kg und die Gesamtmasse des Hauptspiegels etwa 720 kg.

Der Tertiärspiegel ist ein fein einstellbarer Rückspiegel, der sich in der hervorstehenden schwarzen Nasenspitze in der Mitte des Primärspiegels befindet, auch als hinteres optisches Subsystem bezeichnet. Das vom Primärspiegel eingefangene Licht wird reflektiert und auf den Sekundärspiegel fokussiert, der das Licht zum Rückspiegel der dritten Stufe reflektiert, dann zum fein einstellbaren Rückspiegel und schließlich auf die hinter dem Primärspiegel angeordneten wissenschaftlichen Instrumente fokussiert. Dieser Bereich ist mit Geräten oder Kameras zur Sternenlichtanalyse ausgestattet, wodurch das Teleskop über ein sehr weites Sichtfeld verfügt.

Als Nachfolger des Hubble-Teleskops wird es eine verbesserte Infrarotauflösung und -empfindlichkeit auf der Grundlage des Hubble-Teleskops bieten, mit einem breiteren Infrarotspektrum und Beobachtungsmöglichkeiten, die 100-mal so groß sind wie die des Hubble-Teleskops. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung für astronomische Beobachtungen dar.

Leistungsstärker und „cooler“

▲Links: „Webb“-Teleskop Rechts: „Hubble“-Teleskop (Quelle: Baidu Encyclopedia)

Im Vergleich zum Hubble-Weltraumteleskop sieht das James Webb-Teleskop fast völlig anders aus. Das Webb-Teleskop hat kein Rohr. Der Tubus eines Teleskops dient hauptsächlich dazu, zu verhindern, dass Streulicht die Bildgebung und Beobachtung beeinträchtigt. Je größer das Teleskop, desto größer und schwerer ist der erforderliche Tubus. Beim Webb-Teleskop wurde auf das Teleskoprohr verzichtet, wodurch das Gewicht des Trägers erheblich reduziert wurde. Um den Einfluss von Streulicht zu blockieren, ist es jedoch mit einer riesigen Sonnenblende ausgestattet.

▲Der Spiegel des Webb-Teleskops. (Bildquelle: Internet)

▲In der Fabrik der Northrop Grumman Group wird ein fünfschichtiger Sonnenschirm eingesetzt. Erwähnenswert ist, dass im März 2018 bei Tests eine Schicht des Sonnenschirms brach, was unmittelbar zu einer Verzögerung des Baufortschritts von mindestens sechs Monaten führte. (Bildquelle: Internet)

Durch die Verwendung eines Sonnenschutzes kann das Webb-Teleskop extrem niedrige Temperaturen erreichen. Das Hubble-Teleskop arbeitet normalerweise bei einer Temperatur von 15 Grad Celsius und beobachtet nur sichtbares und nah-ultraviolettes Licht. Das Webb-Teleskop ist jedoch so konzipiert, dass es seine eigene Temperatur auf unter -223 Grad Celsius senken kann. Sobald seine Temperatur -223 Grad Celsius übersteigt, überdeckt seine eigene Infrarotstrahlung die schwachen Lichtquanten aus den Tiefen des Universums. Um Nahinfrarotlicht beobachten zu können, ist das Webb-Teleskop mit fünf Schichten von Sonnenschirmen ausgestattet, die jeweils so groß wie ein Tennisplatz sind. Die erste Schicht des Sonnenschutzes ist direkt der Sonne zugewandt und nur 0,05 mm dick. Die anderen vier Schichten sind 0,025 mm dick und die fünfte Schicht dient hauptsächlich dazu, Defekte, Mikrometeoriteneinschläge usw. zu verhindern.

Die erste Schicht ist flächenmäßig und formmäßig die größte und relativ flach; die fünfte Schicht hat die kleinste Fläche und die größte Krümmung. Die Zwischenräume zwischen den Schichten sorgen für zusätzliche Isolierung, wobei der kleinste Abstand in der Mitte und der größte Abstand an den Rändern besteht. Dadurch wird die Wärme von der Mitte nach außen geleitet und schließlich in den Raum abgeleitet. Jede Schicht des Sonnenschutzes ist mit etwa 100 Nanometern Aluminium beschichtet und die hochreflektierende Aluminiumoberfläche reflektiert die verbleibende Energie von den Lücken an den Rändern des Sonnenschutzes weg.

Die beiden heißesten Schichten (die erste und die zweite Schicht), die der Sonne zugewandt sind, verfügen außerdem über eine etwa 50 Nanometer dicke Siliziumbeschichtung, um die Wärme zurück in den Weltraum zu reflektieren und so die optische Leistung und Lebensdauer im Weltraum zu verbessern. Der Sonnenschutz kann überschüssiges Licht und Wärme reflektieren, sodass bisher unbeobachtete Himmelskörper wie Planeten mit niedriger Energie und Staubscheiben beobachtet werden können. Allerdings ist es mit der aktuellen Raketenstarttechnologie immer noch nicht praktikabel, das Webb-Teleskop für den Start vollständig auszuklappen. Daher werden die Sonnenblende und die Linsen des Webb-Teleskops während des Starts zusammengefaltet und nach dem Start gemäß den vorgeschriebenen Verfahren wieder auseinandergefaltet.

„Vier Hauptkomponenten“ sorgen für einen reibungslosen Betrieb

Das Integrated Science Instrument Module ist ein Gesamtsystem, das dem Webb-Teleskop Strom, Rechenressourcen, Kühlkapazitäten und strukturelle Stabilität bietet. Es besteht aus gebundenem Graphit-Epoxid-Verbundwerkstoff und ist an der Unterseite der Webb-Teleskopstruktur befestigt. Es verfügt über vier wissenschaftliche Instrumente und eine Leitkamera.

▲Integriertes wissenschaftliches Instrumentenmodul

Die Nahinfrarotkamera ist ein Infrarotbildgeber, der einen Spektralbereich vom Rand des sichtbaren Lichts (0,6 Mikrometer) bis zum Nahinfrarotband (5 Mikrometer) abdeckt. Es kann die bisher am weitesten entfernten Himmelskörper beobachten, das Licht der ersten Sterne und Galaxien erkennen und bei der Ausrichtung des Sichtfelds des Teleskops helfen.

Das Nahinfrarotspektrometer führt zudem eine Spektralanalyse im entsprechenden Wellenlängenbereich durch. Es kann die Temperatur, Masse und chemische Zusammensetzung von Himmelskörpern ermitteln und gleichzeitig die Spektren von 200 Himmelskörpern zur spektralen Kartierung erfassen.

Das Mittelinfrarot-Instrument dient zur Messung des mittleren und langen Infrarot-Bandbereichs von 5 bis 27 Mikrometern und umfasst eine Mittelinfrarot-Kamera und ein bildgebendes Spektrometer. Mittelinfrarotlicht wird zur Beobachtung kühler, weit entfernter Himmelskörper eingesetzt. Es kann den kalten Staub in der Umgebung von Sternentstehungsgebieten durchdringen und die Auswirkungen massereicher Sterne und Schwarzer Löcher auf den sie umgebenden Raum sichtbar machen.

Der Feinführungssensor, der Nahinfrarot-Bildgeber und das nahtlose Spektrometer, die zur Stabilisierung der Sichtlinie des Teleskops bei wissenschaftlichen Beobachtungen verwendet werden, sind zwei Instrumente mit völlig unterschiedlichen Zwecken, die nur deshalb als eine Baugruppe oder Einheit bezeichnet werden, weil sie physisch zusammen installiert sind.

Es kann die Temperatur, Masse und chemische Zusammensetzung von Himmelskörpern ermitteln, die atmosphärische Zusammensetzung von Exoplaneten analysieren und hochpräzise Zielerfassungen durchführen. Das Nahinfrarotspektrometer und das Mittelinfrarotinstrument verwenden einen Koronographen, der das Sternenlicht blockiert, und können auch zur Beobachtung schwacher Ziele wie Exoplaneten und zirkumstellarer Scheiben in unmittelbarer Nähe heller Sterne verwendet werden.

Dunkle Materie ist möglicherweise nicht mehr „versteckt“

(Bildquelle: Baidu Encyclopedia)

Das Webb-Teleskop könnte uns helfen, das Rätsel der dunklen Materie zu lösen. Dunkle Materie ist eine mysteriöse, unsichtbare Form von Materie, die einen großen Teil der Materie im bekannten Universum ausmacht und bis zu sechsmal so groß ist wie sichtbare Materie. Bisher konnte dunkle Materie nicht direkt nachgewiesen werden. Obwohl das Webb-Teleskop dunkle Materie nicht direkt „sehen“ kann, glauben Wissenschaftler, dass es bei der Aufnahme von Bildern entfernter Galaxien diese Massen finden und feststellen kann, ob „fehlende“ oder nicht beobachtbare Masse vorhanden ist, bei der es sich möglicherweise um dunkle Materie handelt. Das Webb-Teleskop eignet sich für derartige Messungen besonders gut, da seine Bildauflösung so hoch ist, dass es selbst kleinste Störungen erkennen kann. Darüber hinaus ist das Webb-Teleskop so konzipiert, dass es tief ins Universum blicken kann, weit über unseren bisherigen Beobachtungsbereich hinaus und damit weiter in die Vergangenheit. Diese Beobachtungen im Weltraum werden eine wichtige Rolle bei der Erforschung des frühen Universums und der Galaxien sowie der Entwicklung der dunklen Materie spielen.

Obwohl der Einführungsprozess voller Wendungen war, gelang es dank der Bemühungen vieler Parteien schließlich, den offiziellen Start zu vollziehen. Es besteht die Hoffnung, dass das Webb-Teleskop nach seinem erfolgreichen Start und Betrieb eine große Hilfe für die menschliche Erforschung und Beobachtung des Universums sein wird. Freuen wir uns auch auf Webbs Reise ins All!

Zusammengestellt von New Media Editor Duan Dawei

(Inhalt zusammengestellt vom Institut für Geologie und Geophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Science and Technology Daily, Science and Technology Herald, Sina Technology)

Produziert von: Science Central Kitchen

Produziert von: Beijing Science and Technology News | Pekinger Wissenschafts- und Technologiemedien

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