Airbus Defence and Space

James-Webb-Weltraumteleskop, NIRSpec und MIRI

Infrarotspektrometrie

In wenigen Jahren wird eine mit Airbus Defence and Space-Technologie ausgerüstete „Zeitmaschine“ uns auf eine Reise zu den bisher unerforschten Ursprüngen des Universums mitnehmen.

Ein neues, enorm leistungsfähiges Weltraumobservatorium soll in 1,5 Millionen Kilometern Entfernung zur Erde weit in die Geschichte unseres Universums zurückblicken – vom ersten Lichtstrahl nach dem Urknall und der Bildung der ersten Galaxien bis zur Geburt von Sternensystemen, die den Weg für Leben auf Planeten wie der Erde ebneten.

Ermöglicht wird dies vom James-Webb-Weltraumteleskop (James Webb Space Telescope, JWST), einem internationalen Gemeinschaftsprojekt der drei Weltraumorganisationen der USA (NASA), Europas (ESA) und Kanadas (CSA), das 2018 in den Weltraum starten soll. Das leistungsfähigste Weltraumteleskop aller Zeiten soll die abgelegensten Objekte unseres Universums beobachten, Aufnahmen der ersten Galaxien erfassen und bislang unbekannte Planeten weit entfernter Sterne entdecken.

JWST wird über ein deutlich schärferes Auge verfügen als sein gefeierter Vorgänger Hubble, der – wenn man so will – die „Kleinkinder“ unter den Galaxien erkennen konnte, wohingegen JWST sogar die „Babygalaxien“ erspähen wird.

Umstellung auf Infrarot

Da Licht für das Zurücklegen einer Strecke eine gewisse Zeit braucht, steigt das Alter von Objekten mit wachsender Entfernung zu uns an. Aufgrund der stetigen Expansion unseres Universums sind die als erstes gebildeten Elemente am weitesten von uns entfernt und bewegen sich zudem mit der höchsten Geschwindigkeit – so schnell, dass eine Rotverschiebung des von ihnen ausgestrahlten Lichts stattfindet. Da das Licht der von JWST zu kartierenden Objekte bereits sehr lange unterwegs ist, hat sich seine Wellenlänge weit in den Infrarotbereich verschoben. Anders als Hubble kann JWST diesen untersuchen und mit dem Blick in die weit zurückliegende Vergangenheit uralte, weit entfernte Objekte aufspüren.

Licht der Sterne

Mit einem Durchmesser von stattlichen 6,5 Metern wird der aus 18 sechseckigen Segmenten zusammengesetzte Primärspiegel von JWST das größte Teleskop im Weltraum sein. Es soll künftig das schwache Licht entfernter Sterne einfangen und an eines seiner vier wissenschaftlichen Instrumente weiterleiten, von denen jedes einzelne spezielle Daten extrahieren kann.

Bei Sternenlicht handelt es sich um elektromagnetische Strahlung, aus der sich umfangreiche Rückschlüsse über die chemische Zusammensetzung, Temperatur, Dichte, Druckverhältnisse, Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des emittierenden Himmelskörpers ziehen lassen. Dies liegt darin begründet, dass sämtliche Elemente und Verbindungen dieses Körpers Strahlung mit spezifischen, charakteristischen Wellenlängen aussenden und absorbieren. Durch deren Einteilung und Analyse lässt sich ein einzigartiges Profil erstellen.

NIRSpec

Das Infrarot-Spektrometer NIRSpec wurde von Airbus Defence and Space entworfen und ist das bedeutendste sowie leistungsfähigste wissenschaftliche Instrument an Bord von JWST. Ein Spektrometer zerlegt das von einem Objekt ausgehende Licht in ein Spektrum. Die Atome und Moleküle, aus denen das Objekt besteht, sind anhand eindeutiger Linien im Spektrum abzulesen und bilden so einen „Fingerabdruck“ sämtlicher enthaltener chemischer Elemente. Die Spektrometrie ist die hochpräzise Wissenschaft von der Interpretation dieser Linien.

Für diese Wissenschaft eröffnet NIRSpec neue Möglichkeiten, da es dank einer neuen Technologie auf Basis von Mikroverschlüssen als erstes weltraumgestütztes Spektrometer 100 Objekte gleichzeitig beobachten kann. Die winzigen Verschlüsse, die zur Steuerung des Lichteinfalls in NIRSpec entwickelt wurden, messen 100 auf 200 Mikrometer – dies entspricht in etwa der Breite von drei bis sechs menschlichen Haaren.

MIRI

An Bord von JWST wird sich auch eine Kamera mit Spektrometer für den mittleren Infrarotbereich (Mid-InfraRed Instrument, MIRI) befinden, die dank ihrer extrem hohen Empfindlichkeit sogar eine Kerze auf einem Jupitermond erkennen könnte und von einem internationalen Konsortium entwickelt wurde, in dem Airbus Defence and Space ebenfalls eine führende Rolle spielt. MIRI erweitert den Beobachtungsbereich von JWST um größere Wellenlängen, die von seinen anderen Instrumenten nicht erfasst werden können, und ermöglicht so die Untersuchung von weit in den roten Bereich verschobenem Licht, das von Objekten aus den Ursprungszeiten des Universums ausgestrahlt wurde. Wissenschaftler sind zuversichtlich, dass MIRIs Weltraumaufnahmen ebenso atemberaubend sein werden wie jene des dafür berühmten Hubble-Weltraumteleskops.

Bei den anderen beiden Instrumenten an Bord von JWST handelt es sich um die von der Universität von Arizona für die NASA entwickelte Nahinfrarotkamera (Near-Infrared Camera, NIRCAM) sowie den von der kanadischen Raumfahrtbehörde bereitgestellten Fine Guidance Sensor (FGS).

Unempfindlich gegen Kälte

JWST und seine Instrumente sind auf Temperaturen von rund -235 °C ausgelegt, um die von extrem kalten Sternen ausgehende Infrarotstrahlung untersuchen zu können, die andernfalls von der eigenen Strahlung der Instrumente überdeckt würde.