James-Webb-Weltraumteleskop
 Rendering des James Webb Weltraumteleskops in voller Entfaltung. | |
| Namen | Weltraumteleskop der nächsten Generation (NGST; 1996-2002) |
|---|---|
| Art der Mission | Astronomie |
| Betreiber | STScI (NASA) / ESA / CSA |
| COSPAR-KENNUNG | 2021-130A |
| SATCAT-Nr. | 50463 |
| Website | Offizielle Website |
| Dauer der Mission |
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| Eigenschaften des Raumfahrzeugs | |
| Hersteller |
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| Startmasse | 6.161,4 kg (13.584 lb) |
| Abmessungen | 20,197 m × 14,162 m (66,26 ft × 46,46 ft), Sonnenschutzdach |
| Leistung | 2 kW |
| Beginn der Mission | |
| Starttermin | 25. Dezember 2021, 12:20 UTC |
| Rakete | Ariane 5 ECA (VA256) |
| Startplatz | Raumfahrtzentrum Guyanais, ELA-3 |
| Auftragnehmer | Arianespace |
| In Betrieb genommen | 12. Juli 2022 |
| Orbitale Parameter | |
| Bezugssystem | Sonne-Erde L2-Umlaufbahn |
| Regime | Halo-Umlaufbahn |
| Periapsis-Höhe | 250.000 km (160.000 Meilen) |
| Apoapsis-Höhe | 832.000 km (517.000 Meilen) |
| Zeitraum | 6 Monate |
| Hauptteleskop | |
| Typ | Korsch-Teleskop |
| Durchmesser | 6,5 m (21 Fuß) |
| Brennweite | 131,4 m (431 ft) |
| Öffnungsverhältnis | f/20.2 |
| Auffangfläche | 25,4 m2 (273 sq ft) |
| Wellenlängen | 0,6-28,3 μm (Orange bis mittleres Infrarot) |
| Transponder | |
| Band |
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| Bandbreite |
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| Instrumente | |
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| Elemente | |
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 Logo der James-Webb-Weltraumteleskop-Mission | |
Das James Webb Space Telescope (JWST) ist ein Weltraumteleskop, das in erster Linie für die Infrarotastronomie konzipiert wurde. Als größtes optisches Teleskop im Weltraum ermöglicht es mit seiner stark verbesserten Infrarotauflösung und -empfindlichkeit die Beobachtung von Objekten, die für das Hubble-Weltraumteleskop zu alt, zu weit entfernt oder zu schwach sind. Dies wird voraussichtlich ein breites Spektrum an Untersuchungen in den Bereichen Astronomie und Kosmologie ermöglichen, wie z. B. die Beobachtung der ersten Sterne und der Entstehung der ersten Galaxien sowie die detaillierte Charakterisierung der Atmosphäre von potenziell bewohnbaren Exoplaneten. ⓘ
Die US-amerikanische National Aeronautics and Space Administration (NASA) leitete die Entwicklung von JWST in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der Kanadischen Weltraumorganisation (CSA). Das Goddard Space Flight Center (GSFC) der NASA in Maryland leitete die Entwicklung des Teleskops, das Space Telescope Science Institute in Baltimore auf dem Homewood-Campus der Johns Hopkins University betreibt das JWST, und der Hauptauftragnehmer war Northrop Grumman. Das Teleskop ist nach James E. Webb benannt, der von 1961 bis 1968 während der Programme Mercury, Gemini und Apollo Administrator der NASA war. ⓘ
Das James-Webb-Weltraumteleskop wurde am 25. Dezember 2021 mit einer Ariane-5-Rakete von Kourou in Französisch-Guayana aus gestartet und erreichte im Januar 2022 den Lagrange-Punkt Sonne-Erde L2. Das erste Bild des JWST wurde auf einer Pressekonferenz am 11. Juli 2022 der Öffentlichkeit vorgestellt. Das Teleskop ist der Nachfolger von Hubble und damit das Flaggschiff der NASA im Bereich der Astrophysik. ⓘ
Der Hauptspiegel des JWST besteht aus 18 sechseckigen Spiegelsegmenten aus vergoldetem Beryllium, die zusammen einen Spiegel mit einem Durchmesser von 6,5 Metern bilden, verglichen mit dem Hubble-Spiegel von 2,4 m (7 ft 10 in). Damit hat JWST eine Lichtsammelfläche von etwa 25 Quadratmetern, etwa sechsmal so viel wie Hubble. Im Gegensatz zu Hubble, das im nahen Ultraviolett, im sichtbaren und im nahen Infrarot (0,1-1,7 μm) beobachtet, beobachtet JWST in einem niedrigeren Frequenzbereich, vom langwelligen sichtbaren Licht (rot) bis zum mittleren Infrarot (0,6-28,3 μm). Das Teleskop muss extrem kalt gehalten werden, nämlich unter 50 K (-223 °C), damit das vom Teleskop selbst abgestrahlte Infrarotlicht das gesammelte Licht nicht stört. Es befindet sich in einer Sonnenumlaufbahn in der Nähe des Lagrange-Punkts Sonne-Erde L2, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, wo sein fünfschichtiger Sonnenschutzschild es vor der Erwärmung durch Sonne, Erde und Mond schützt. ⓘ
Die ersten Entwürfe für das Teleskop, das damals als Weltraumteleskop der nächsten Generation bezeichnet wurde, begannen im Jahr 1996. Im Jahr 1999 wurden zwei Konzeptstudien in Auftrag gegeben, die einen möglichen Start im Jahr 2007 und ein Budget von 1 Milliarde US-Dollar vorsahen. Das Programm wurde von enormen Kostenüberschreitungen und Verzögerungen geplagt; eine umfassende Neugestaltung im Jahr 2005 führte zum aktuellen Konzept, dessen Bau 2016 mit Gesamtkosten von 10 Milliarden US-Dollar abgeschlossen wurde. Die Medien, Wissenschaftler und Ingenieure wiesen auf das hohe Risiko des Starts und die Komplexität des Teleskops hin. ⓘ
Das Teleskop ist nach dem früheren NASA-Administrator James Edwin Webb benannt. Die Namensgebung ist umstritten, da Webb als Manager und nicht als Wissenschaftler tätig war. Er hatte außerdem in seiner Funktion während der McCarthy-Ära Mitarbeiter auf Grund ihrer homosexuellen Orientierung entlassen. ⓘ
Merkmale
Das James Webb Space Telescope hat eine Masse, die etwa halb so groß ist wie die des Hubble Space Telescope. Das JWST hat einen goldbeschichteten Beryllium-Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 6,5 Metern, der aus 18 einzelnen sechseckigen Spiegeln besteht. Der Spiegel hat eine polierte Fläche von 26,3 m2, von der 0,9 m2 von den sekundären Stützstreben verdeckt werden, so dass sich eine Gesamtfläche von 25,4 m2 ergibt. Diese Fläche ist mehr als sechsmal so groß wie die des Hubble-Spiegels mit einem Durchmesser von 2,4 Metern, der eine Fläche von 4,0 m2 aufweist. Der Spiegel ist mit einer Goldbeschichtung versehen, um die Infrarotreflexion zu gewährleisten, und zur besseren Haltbarkeit mit einer dünnen Glasschicht überzogen. ⓘ
Das JWST ist in erster Linie für die Nahinfrarot-Astronomie konzipiert, kann aber je nach Instrument auch orangefarbenes und rotes sichtbares Licht sowie den mittleren Infrarotbereich sehen. Es kann Objekte aufspüren, die bis zu 100 Mal schwächer sind als Hubble, und Objekte, die viel früher in der Geschichte des Universums liegen, nämlich bis zur Rotverschiebung z≈20 (etwa 180 Millionen Jahre kosmische Zeit nach dem Urknall). Zum Vergleich: Man nimmt an, dass sich die ersten Sterne zwischen z≈30 und z≈20 (100-180 Millionen Jahre kosmische Zeit) gebildet haben, und die ersten Galaxien könnten sich um die Rotverschiebung z≈15 (etwa 270 Millionen Jahre kosmische Zeit) gebildet haben. Hubble kann nicht weiter zurückblicken als bis zur sehr frühen Reionisation bei etwa z≈11,1 (Galaxie GN-z11, 400 Millionen Jahre kosmische Zeit). ⓘ
Der Schwerpunkt des Designs liegt aus mehreren Gründen auf dem nahen bis mittleren Infrarot:
- Bei hochverschiebten (sehr frühen und weit entfernten) Objekten sind die sichtbaren Emissionen in den Infrarotbereich verschoben, so dass ihr Licht heute nur mit Hilfe der Infrarotastronomie beobachtet werden kann;
- Infrarotlicht dringt leichter durch Staubwolken als sichtbares Licht
- kältere Objekte wie Trümmerscheiben und Planeten emittieren am stärksten im Infraroten;
- diese Infrarotbänder sind vom Boden aus oder mit bestehenden Weltraumteleskopen wie Hubble nur schwer zu untersuchen. ⓘ
Bodengestützte Teleskope müssen durch die Erdatmosphäre blicken, die in vielen Infrarotbereichen undurchsichtig ist (siehe Abbildung). Selbst dort, wo die Atmosphäre transparent ist, sind viele der chemischen Verbindungen, die untersucht werden sollen, wie Wasser, Kohlendioxid und Methan, auch in der Erdatmosphäre vorhanden, was die Analyse erheblich erschwert. Bestehende Weltraumteleskope wie Hubble können diese Banden nicht untersuchen, da ihre Spiegel nicht ausreichend gekühlt sind (der Hubble-Spiegel wird auf etwa 15 °C [288 K; 59 °F] gehalten), was bedeutet, dass das Teleskop selbst in den Infrarotbanden stark strahlt. ⓘ
JWST kann auch Objekte in der Nähe beobachten, einschließlich Objekte im Sonnensystem, die eine scheinbare Winkelgeschwindigkeit von 0,030 Bogensekunden pro Sekunde oder weniger haben. Dazu gehören alle Planeten und Satelliten, Kometen und Asteroiden jenseits der Erdumlaufbahn sowie "praktisch alle" bekannten Kuiper-Gürtel-Objekte. Darüber hinaus kann der Satellit innerhalb von 48 Stunden nach einer entsprechenden Entscheidung opportunistische und ungeplante Ziele beobachten, z. B. Supernovae und Gammastrahlenausbrüche. ⓘ
Dreiviertelansicht der Oberseite
Unterseite (der Sonne zugewandte Seite) ⓘ
Standort und Umlaufbahn
JWST befindet sich in einer Halo-Umlaufbahn, die um einen Punkt im Weltraum kreist, der als Lagrange-Punkt Sonne-Erde L2 bekannt ist und etwa 1.500.000 km außerhalb der Erdumlaufbahn um die Sonne liegt. Seine tatsächliche Position schwankt während seiner Umlaufbahn zwischen etwa 250.000 und 832.000 km von L2 entfernt, so dass er sich sowohl außerhalb des Erdschattens als auch des Schattens des Mondes befindet. Zum Vergleich: Hubble umkreist die Erde in einer Höhe von 550 km, und der Mond ist etwa 400.000 km von der Erde entfernt. Objekte in der Nähe dieses Sonne-Erde-L2-Punktes können die Sonne synchron mit der Erde umkreisen, so dass das Teleskop in einem annähernd konstanten Abstand bleiben kann, wobei sein einzigartiger Sonnenschutzschild und der Gerätebus ständig auf Sonne, Erde und Mond ausgerichtet sind. In Kombination mit seiner weiten, schattenvermeidenden Umlaufbahn kann das Teleskop gleichzeitig einfallende Wärme und Licht von allen drei Körpern abblocken und selbst kleinste Temperaturschwankungen durch Erd- und Mondschatten vermeiden, die sich auf die Struktur auswirken würden, und dennoch eine ununterbrochene Solarenergie und Erdkommunikation auf der der Sonne zugewandten Seite aufrechterhalten. Diese Anordnung hält die Temperatur des Raumfahrzeugs konstant und unter den 50 K (-223 °C), die für schwache Infrarotbeobachtungen erforderlich sind. ⓘ
Schutz des Sonnenschilds
Für Beobachtungen im Infrarotspektrum muss JWST unter 50 K (-223,2 °C; -369,7 °F) gehalten werden; andernfalls würde die Infrarotstrahlung des Teleskops selbst seine Instrumente überwältigen. Aus diesem Grund verwendet das JWST einen großen Sonnenschutzschild, um Licht und Wärme von Sonne, Erde und Mond abzuschirmen, und seine Position in der Nähe des Sonne-Erde-Koordinatensystems L2 sorgt dafür, dass sich alle drei Himmelskörper stets auf derselben Seite der Sonde befinden. Die Halo-Umlaufbahn um den L2-Punkt vermeidet den Schatten der Erde und des Mondes und sorgt so für eine konstante Umgebung für den Sonnenschutzschild und die Solargeneratoren. Die Abschirmung sorgt für eine stabile Temperatur der Strukturen auf der dunklen Seite, was für die präzise Ausrichtung der Primärspiegelsegmente im Weltraum entscheidend ist. ⓘ
Der fünfschichtige Sonnenschutzschild, jede Schicht so dünn wie ein menschliches Haar, besteht aus Kapton E, einer handelsüblichen Polyimidfolie von DuPont, mit Membranen, die auf beiden Seiten speziell mit Aluminium beschichtet sind, und einer Schicht aus dotiertem Silizium auf der der Sonne zugewandten Seite der beiden heißesten Schichten, um die Sonnenwärme zurück in den Weltraum zu reflektieren. Unbeabsichtigte Risse in der empfindlichen Folienstruktur während der Einsatztests im Jahr 2018 führten zu weiteren Verzögerungen beim Teleskop. ⓘ
Der Sonnenschutzschild wurde so konstruiert, dass er zwölfmal gefaltet werden kann, so dass er in die Nutzlastverkleidung der Ariane-5-Rakete passt, die einen Durchmesser von 4,57 m und eine Länge von 16,19 m hat. Die Abmessungen des Schildes im ausgefahrenen Zustand wurden mit 14,162 m × 21,197 m (46,46 ft × 69,54 ft) geplant. Der Sonnenschutzschild wurde bei ManTech (NeXolve) in Huntsville, Alabama, von Hand zusammengebaut, bevor er zu Testzwecken an Northrop Grumman in Redondo Beach, Kalifornien, geliefert wurde. ⓘ
Wegen des Sonnenschutzschildes hat das JWST nicht zu jeder Zeit ein unbegrenztes Sichtfeld. Das Teleskop kann 40 Prozent des Himmels von einer Position aus sehen und kann über einen Zeitraum von sechs Monaten den gesamten Himmel sehen. ⓘ
Der ca. 21 × 14 m große Sonnenschild hat die Aufgabe, Infrarot- bzw. Wärmestrahlung vom Teleskop und den Instrumenten fernzuhalten. Der Mehrlagen-Strahlungsschild besteht aus fünf Lagen Kapton, einem Polyimid, das mit Aluminium beschichtet ist. Die beiden äußersten Lagen sind mit dotiertem Silizium beschichtet, das besonders gut Wärme abstrahlt; sie gibt den Folien einen rosa Schimmer. Die Dotierung erhöht die elektrische Leitfähigkeit und vermindert damit die statische Aufladung durch geladene Partikel. Die erste Lage zeigt in Richtung Sonne und ist 50 μm stark, die übrigen vier Lagen nur 25 μm. Die Aluminiumschicht ist 100 Nanometer dick, die Siliziumschicht 50 Nanometer. Kleine verstärkte Löcher an unterschiedlichen Stellen sorgten dafür, dass die Luft zwischen den Lagen während der Startphase gleichmäßig entweichen konnte. Ein komplizierter Mechanismus sicherte die Folien während des Starts und sorgte für die korrekte Entfaltung auf dem Weg zum Ziel. Nach dem Entfalten besteht zwischen den Lagen ungefähr ein Abstand von 40 cm. ⓘ
Die fünf Lagen Kaptonfolie schirmen das Teleskop nicht nur gegen Strahlung von Sonne und Erde ab, sondern auch von der Wärme der Versorgungseinheit, deren Elektronik eine gewisse Mindesttemperatur haben muss, um zuverlässig zu arbeiten. Die Temperaturdifferenz zwischen der sonnenzugewandten Seite mit ca. 358 K (85 °C) und der sonnenabgewandten Seite mit ca. 40 K (−233 °C) beträgt über 300 K. Im mehrlagigen Design ist berücksichtigt, dass der Schild von Partikeln durchschlagen werden und Folien an einzelnen Stellen einreißen könnten und trotzdem die Funktionalität nicht verlorengeht; spezielle Verstärkungen verhindern, dass sich längere Risse bilden. ⓘ
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Optik
Die vom JWST aufgenommenen Fotos weisen sechs Zacken plus zwei schwächere Zacken auf, die von der Spinne stammen, die den Sekundärspiegel trägt. Der Hauptspiegel des JWST ist ein goldbeschichteter Beryllium-Reflektor mit einem Durchmesser von 6,5 m und einer Sammelfläche von 25,4 m2 (273 sq ft). Wäre er als einzelner großer Spiegel gebaut worden, wäre dieser für die vorhandenen Trägerraketen zu groß gewesen. Der Spiegel besteht daher aus 18 sechseckigen Segmenten (eine Technik, die von Guido Horn d'Arturo entwickelt wurde), die nach dem Start des Teleskops aufgeklappt wurden. Die Wellenfrontabtastung in der Bildebene durch Phasenabtastung wird verwendet, um die Spiegelsegmente mit Hilfe von sehr präzisen Mikromotoren an der richtigen Stelle zu positionieren. Nach dieser anfänglichen Konfiguration müssen sie nur noch alle paar Tage aktualisiert werden, um den optimalen Fokus beizubehalten. Dies steht im Gegensatz zu terrestrischen Teleskopen, wie z. B. den Keck-Teleskopen, die ihre Spiegelsegmente mit Hilfe aktiver Optik ständig nachjustieren, um die Auswirkungen von Gravitations- und Windlasten zu überwinden. ⓘ
Das Webb-Teleskop wird 132 kleine Motoren (so genannte Aktuatoren) verwenden, um die Optik zu positionieren und gelegentlich zu justieren, da es bei einem Teleskop im Weltraum nur wenige Umweltstörungen gibt. Jedes der 18 Hauptspiegelsegmente wird von 6 Positionsaktuatoren mit einem weiteren ROC-Aktuator (Krümmungsradius) in der Mitte gesteuert, um die Krümmung einzustellen (7 Aktuatoren pro Segment), insgesamt also 126 Hauptspiegelaktuatoren und weitere 6 Aktuatoren für den Sekundärspiegel, also insgesamt 132. Die Aktuatoren können den Spiegel mit einer Genauigkeit von 10 Nanometern (10 Millionstel Millimeter) positionieren. ⓘ
Die Aktuatoren sind entscheidend für die Ausrichtung der Teleskopspiegel und wurden von Ball Aerospace & Technologies entwickelt und hergestellt. Jeder der 132 Aktuatoren wird von einem einzelnen Schrittmotor angetrieben, der sowohl Fein- als auch Grobeinstellungen ermöglicht. Die Aktuatoren bieten eine Grobschrittweite von 58 Nanometern für größere Anpassungen und eine Feinschrittweite von 7 Nanometern. ⓘ
Das optische Design des JWST ist ein Drei-Spiegel-Anastigmat, der gekrümmte Sekundär- und Tertiärspiegel einsetzt, um Bilder zu liefern, die über einen großen Bereich frei von optischen Aberrationen sind. Der Sekundärspiegel hat einen Durchmesser von 0,74 m (2,4 ft). Darüber hinaus gibt es einen Feinsteuerungsspiegel, der seine Position mehrmals pro Sekunde ändern kann, um das Bild zu stabilisieren. ⓘ
Ball Aerospace & Technologies ist der wichtigste optische Unterauftragnehmer für das JWST-Projekt, das vom Hauptauftragnehmer Northrop Grumman Aerospace Systems im Rahmen eines Vertrags mit dem NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, geleitet wird. Die Spiegel sowie die Flug-Ersatzteile wurden von Ball Aerospace & Technologies auf der Grundlage von Beryllium-Segmentrohlingen gefertigt und poliert, die von verschiedenen Unternehmen wie Axsys, Brush Wellman und Tinsley Laboratories hergestellt wurden. ⓘ
Wissenschaftliche Instrumente
Das Integrated Science Instrument Module (ISIM) ist ein Rahmen, der das Webb-Teleskop mit Strom, Rechenleistung, Kühlung und struktureller Stabilität versorgt. Es besteht aus einem Graphit-Epoxid-Verbundwerkstoff, der an der Unterseite der Webb-Teleskopstruktur befestigt ist. Das ISIM enthält die vier wissenschaftlichen Instrumente und eine Führungskamera. ⓘ
- NIRCam (Near InfraRed Camera) ist ein Infrarot-Bildgeber, der einen Spektralbereich vom Rand des Sichtbaren (0,6 μm) bis zum nahen Infrarot (5 μm) abdeckt. Sie verfügt über 10 Sensoren mit jeweils 4 Megapixeln. NIRCam wird auch als Wellenfrontsensor des Observatoriums dienen, der für die Wellenfronterfassung und -steuerung erforderlich ist und zur Ausrichtung und Fokussierung der Hauptspiegelsegmente dient. NIRCam wurde von einem Team unter der Leitung der Universität von Arizona mit der Hauptforscherin Marcia J. Rieke gebaut. Der industrielle Partner ist das Advanced Technology Center von Lockheed-Martin in Palo Alto, Kalifornien.
- NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph) wird ebenfalls Spektroskopie über denselben Wellenlängenbereich durchführen. Er wurde von der Europäischen Weltraumorganisation ESTEC in Noordwijk, Niederlande, gebaut. Das führende Entwicklungsteam besteht aus Mitgliedern von Airbus Defence and Space, Ottobrunn und Friedrichshafen, Deutschland, und dem Goddard Space Flight Center; Pierre Ferruit (École normale supérieure de Lyon) ist der NIRSpec-Projektwissenschaftler. Das NIRSpec-Konzept sieht drei Beobachtungsmodi vor: einen niedrig auflösenden Modus mit einem Prisma, einen R~1000-Multi-Objekt-Modus und einen R~2700-Integralfeldeinheit- oder Langspalt-Spektroskopie-Modus. Das Umschalten zwischen den Modi erfolgt durch die Betätigung eines Wellenlängenvorwahlmechanismus, der so genannten Filter Wheel Assembly, und die Auswahl eines entsprechenden dispersiven Elements (Prisma oder Gitter) mit Hilfe des Grating Wheel Assembly Mechanismus. Beide Mechanismen basieren auf den erfolgreichen ISOPHOT-Radmechanismen des Infrarot-Weltraumobservatoriums. Der Multi-Objekt-Modus basiert auf einem komplexen Mikroverschlußmechanismus, der die gleichzeitige Beobachtung von Hunderten von Einzelobjekten überall im Gesichtsfeld von NIRSpec ermöglicht. Es gibt zwei Sensoren mit je 4 Megapixeln. Die Mechanismen und ihre optischen Elemente wurden von der Carl Zeiss Optronics GmbH (heute Hensoldt) in Oberkochen, Deutschland, im Auftrag von Astrium entwickelt, integriert und getestet.
- MIRI (Mid-InfraRed Instrument) wird den mittleren bis langen Infrarot-Wellenlängenbereich von 5 bis 27 μm messen. Es enthält sowohl eine Mittelinfrarotkamera als auch ein abbildendes Spektrometer. MIRI wurde in Zusammenarbeit zwischen der NASA und einem Konsortium europäischer Länder entwickelt und wird von George Rieke (Universität Arizona) und Gillian Wright (UK Astronomy Technology Centre, Edinburgh, Schottland, Teil des Science and Technology Facilities Council) geleitet. MIRI verfügt über ähnliche Radmechanismen wie NIRSpec, die ebenfalls von der Carl Zeiss Optronics GmbH (heute Hensoldt) im Auftrag des Max-Planck-Instituts für Astronomie, Heidelberg, Deutschland, entwickelt und gebaut werden. Die fertige optische Bank des MIRI wurde Mitte 2012 an das Goddard Space Flight Center geliefert, um in das ISIM integriert zu werden. Die Temperatur des MIRI darf 6 K (-267 °C; -449 °F) nicht überschreiten: Ein mechanischer Heliumgaskühler, der sich auf der warmen Seite des Umgebungsschilds befindet, sorgt für diese Kühlung.
- Der FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor and Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph), der von der kanadischen Raumfahrtbehörde unter der Leitung des Projektwissenschaftlers John Hutchings (Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Centre, National Research Council) betrieben wird, dient zur Stabilisierung der Sichtlinie des Observatoriums während der wissenschaftlichen Beobachtungen. Die Messungen des FGS werden sowohl zur Kontrolle der Gesamtausrichtung des Raumfahrzeugs als auch zur Steuerung des Feinsteuerungsspiegels zur Bildstabilisierung verwendet. Die kanadische Weltraumbehörde stellt außerdem ein Modul für Nahinfrarot-Imager und spaltlosen Spektrographen (NIRISS) für astronomische Bildgebung und Spektroskopie im Wellenlängenbereich von 0,8 bis 5 μm zur Verfügung, das von René Doyon von der Université de Montréal geleitet wird. Obwohl sie oft zusammen als Einheit bezeichnet werden, dienen NIRISS und FGS völlig unterschiedlichen Zwecken, wobei das eine ein wissenschaftliches Instrument und das andere ein Teil der unterstützenden Infrastruktur des Observatoriums ist. ⓘ
NIRCam und MIRI verfügen über Koronagraphen, die das Sternenlicht blockieren, um schwache Ziele wie extrasolare Planeten und zirkumstellare Scheiben in unmittelbarer Nähe zu hellen Sternen zu beobachten. ⓘ
Die Infrarotdetektoren für die Module NIRCam, NIRSpec, FGS und NIRISS werden von Teledyne Imaging Sensors (früher Rockwell Scientific Company) geliefert. Die Ingenieure des Integrated Science Instrument Module (ISIM) und des Command and Data Handling (ICDH) des James Webb Space Telescope (JWST) verwenden SpaceWire, um Daten zwischen den wissenschaftlichen Instrumenten und den Datenverarbeitungsgeräten zu übertragen. ⓘ
Raumfahrzeug-Bus
Der Raumfahrzeugbus ist eine der Hauptkomponenten des James Webb Space Telescope, die eine Vielzahl von Computer-, Kommunikations-, Stromversorgungs-, Antriebs- und Strukturteilen beherbergt. Zusammen mit dem Sonnenschild bildet er das Raumfahrzeugelement des Weltraumteleskops. Die beiden anderen Hauptelemente des JWST sind das Integrated Science Instrument Module (ISIM) und das Optical Telescope Element (OTE). Region 3 des ISIM befindet sich ebenfalls innerhalb des Raumfahrzeugbusses; Region 3 umfasst das ISIM-Subsystem für die Steuerung und Datenverarbeitung sowie den MIRI-Kryokühler. Der Raumfahrzeugbus ist mit dem optischen Teleskopelement über die ausfahrbare Turmbaugruppe verbunden, die auch mit dem Sonnenschutzschild verbunden ist. Der Raumfahrzeug-Bus befindet sich auf der der Sonne zugewandten "warmen" Seite des Sonnenschilds und arbeitet bei einer Temperatur von etwa 300 K (27 °C; 80 °F). ⓘ
Die Struktur des Raumfahrzeugbusses hat eine Masse von 350 kg (770 lb) und muss das 6.200 kg (13.700 lb) schwere Weltraumteleskop tragen. Sie besteht hauptsächlich aus Graphit-Verbundmaterial. Er wurde in Kalifornien zusammengebaut, die Montage wurde 2015 abgeschlossen, und anschließend musste er mit dem Rest des Weltraumteleskops integriert werden, bevor es 2021 gestartet werden konnte. Der Raumfahrzeugbus kann das Teleskop mit einer Ausrichtungsgenauigkeit von einer Bogensekunde drehen und isoliert Vibrationen bis auf zwei Millibogensekunden. ⓘ
In der zentralen Rechen-, Speicher- und Kommunikationsanlage leiten der Prozessor und die Software Daten zu und von den Instrumenten, zum Festkörperspeicher und zum Funksystem, das Daten zur Erde senden und Befehle empfangen kann. Der Computer steuert auch die Ausrichtung des Raumfahrzeugs, indem er Sensordaten von den Gyroskopen und dem Star Tracker aufnimmt und Befehle an die Reaktionsräder oder Triebwerke sendet. ⓘ
Webb verfügt über zwei Paare von Raketentriebwerken (ein Paar zur Redundanz), um Kurskorrekturen auf dem Weg zu L2 vorzunehmen und die Station zu halten, d. h. die korrekte Position in der Halo-Umlaufbahn beizubehalten. Acht kleinere Triebwerke werden für die Lageregelung - die korrekte Ausrichtung des Raumfahrzeugs - verwendet. Die Triebwerke verwenden Hydrazin als Treibstoff (159 Liter oder 42 US-Gallonen beim Start) und Distickstofftetroxid als Oxidationsmittel (79,5 Liter oder 21,0 US-Gallonen beim Start). ⓘ
Wartung
Das JWST soll nicht im Weltraum gewartet werden. Eine bemannte Mission zur Reparatur oder Aufrüstung des Observatoriums, wie sie für Hubble durchgeführt wurde, wäre derzeit nicht möglich, und nach Aussage des stellvertretenden NASA-Verwaltungsratsvorsitzenden Thomas Zurbuchen wurde trotz aller Bemühungen festgestellt, dass eine unbemannte Fernmission zum Zeitpunkt der Entwicklung von JWST den Stand der Technik übersteigt. Während der langen Testphase von JWST sprachen NASA-Beamte von der Idee einer Servicemission, aber es wurden keine Pläne bekannt gegeben. Seit dem erfolgreichen Start hat die NASA erklärt, dass begrenzte Vorkehrungen getroffen wurden, um etwaige künftige Wartungsmissionen zu erleichtern. Dazu gehören: präzise Orientierungsmarkierungen in Form von Kreuzen auf der Oberfläche von JWST, die von Fernwartungsmissionen genutzt werden können, sowie nachfüllbare Treibstofftanks, abnehmbare Hitzeschutzvorrichtungen und zugängliche Befestigungspunkte. ⓘ
Vergleich mit anderen Teleskopen
Der Wunsch nach einem großen Infrarot-Weltraumteleskop reicht Jahrzehnte zurück. In den Vereinigten Staaten wurde die Space Infrared Telescope Facility (SIRTF, später Spitzer Space Telescope genannt) geplant, als sich das Space Shuttle in der Entwicklung befand, und das Potenzial für die Infrarotastronomie wurde damals erkannt. Im Gegensatz zu Bodenteleskopen waren Weltraumobservatorien frei von atmosphärischer Absorption des Infrarotlichts. Weltraumobservatorien eröffneten den Astronomen einen völlig "neuen Himmel". ⓘ
Die dünne Atmosphäre oberhalb der nominalen Flughöhe von 400 km hat keine messbare Absorption, so dass Detektoren, die bei allen Wellenlängen von 5 μm bis 1000 μm arbeiten, eine hohe radiometrische Empfindlichkeit erreichen können.
- S. G. McCarthy und G. W. Autio, 1978. ⓘ
Allerdings haben Infrarotteleskope einen Nachteil: Sie müssen extrem kalt sein, und je länger die Wellenlänge des Infrarots ist, desto kälter müssen sie sein. Andernfalls werden die Detektoren von der Hintergrundwärme des Geräts selbst überwältigt, so dass sie praktisch blind sind. Dieses Problem kann durch eine sorgfältige Konstruktion des Raumfahrzeugs gelöst werden, insbesondere durch die Unterbringung des Teleskops in einem Dewar mit einer extrem kalten Substanz, wie z. B. flüssigem Helium. Das Kühlmittel verdampft langsam, wodurch sich die Lebensdauer des Instruments von einigen Monaten auf höchstens ein paar Jahre verkürzt. ⓘ
In einigen Fällen ist es möglich, die Temperatur durch die Konstruktion des Raumfahrzeugs so niedrig zu halten, dass Nahinfrarotbeobachtungen auch ohne Kühlmittelzufuhr möglich sind, wie z. B. bei den ausgedehnten Missionen des Spitzer-Weltraumteleskops und des Wide-field Infrared Survey Explorer, die nach Erschöpfung des Kühlmittels mit verringerter Kapazität betrieben wurden. Ein weiteres Beispiel ist das Hubble-Instrument Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS), das anfangs mit einem Stickstoff-Eisblock betrieben wurde, der nach einigen Jahren erschöpft war, dann aber während der Wartungsmission STS-109 durch einen Kryokühler ersetzt wurde, der kontinuierlich arbeitete. Das James-Webb-Weltraumteleskop ist so konzipiert, dass es sich selbst ohne Dewar kühlt, indem es eine Kombination aus Sonnenschirmen und Strahlern verwendet, wobei das Instrument für das mittlere Infrarot einen zusätzlichen Kryokühler verwendet. ⓘ
| Name | Startjahr | Wellenlänge (μm) |
Öffnung (m) |
Kühlung |
|---|---|---|---|---|
| Spacelab-Infrarot-Teleskop (IRT) | 1985 | 1.7–118 | 0.15 | Helium |
| Infrarot-Weltraum-Observatorium (ISO) | 1995 | 2.5–240 | 0.60 | Helium |
| Hubble-Weltraumteleskop Abbildungsspektrograph (STIS) | 1997 | 0.115–1.03 | 2.4 | Passiv |
| Hubble-Nahinfrarot-Kamera und Multi-Objekt-Spektrometer (NICMOS) | 1997 | 0.8–2.4 | 2.4 | Stickstoff, später Kryokühler |
| Spitzer-Weltraumteleskop | 2003 | 3–180 | 0.85 | Helium |
| Hubble-Weitwinkelkamera 3 (WFC3) | 2009 | 0.2–1.7 | 2.4 | Passiv, und thermoelektrisch |
| Herschel-Weltraumobservatorium | 2009 | 55–672 | 3.5 | Helium |
| James-Webb-Weltraumteleskop | 2021 | 0.6–28.5 | 6.5 | Passiv, und Kryokühler (MIRI) |
Die Verzögerungen und Kostensteigerungen des JWST können mit denen seines Vorgängers, des Hubble-Weltraumteleskops, verglichen werden. Als Hubble 1972 offiziell an den Start ging, wurden die Entwicklungskosten auf 300 Millionen US-Dollar (bzw. etwa 1 Milliarde US-Dollar in konstanten Dollars von 2006) geschätzt, doch als es 1990 in die Umlaufbahn geschickt wurde, waren die Kosten etwa viermal so hoch. Durch neue Instrumente und Wartungsmissionen stiegen die Kosten bis 2006 auf mindestens 9 Milliarden US-Dollar. ⓘ
Geschichte
Hintergrund (Entwicklung bis 2003)
| Jahr | Meilenstein ⓘ |
|---|---|
| 1996 | Erster Vorschlag für ein Weltraumteleskop der nächsten Generation (Spiegelgröße: 8 m) |
| 2001 | NEXUS-Weltraumteleskop, ein Vorläufer des Weltraumteleskops der nächsten Generation, wird eingestellt |
| 2002 | Vorgeschlagenes Projekt wird in James Webb Space Telescope umbenannt (Spiegelgröße auf 6 m reduziert) |
| 2003 | Northrop Grumman erhält Auftrag für den Bau des Teleskops |
| 2007 | Unterzeichnung einer Absichtserklärung zwischen NASA und ESA |
| 2010 | Mission Critical Design Review (MCDR) bestanden |
| 2011 | Vorgeschlagene Annullierung |
| 2016 | Endmontage abgeschlossen |
| 2021 | Start |
Die Diskussionen über ein Hubble-Nachfolgeprojekt begannen in den 1980er Jahren, doch ernsthafte Planungen wurden erst in den frühen 1990er Jahren aufgenommen. Zwischen 1989 und 1994 wurde das Konzept des Hi-Z-Teleskops entwickelt: ein Infrarotteleskop mit einer Öffnung von 4 m, das sich auf eine Umlaufbahn in einer Entfernung von 3 Astronomischen Einheiten (AE) zurückziehen sollte. Diese entfernte Umlaufbahn hätte den Vorteil gehabt, dass das Lichtrauschen durch den Zodiakalstaub reduziert worden wäre. Andere frühe Pläne sahen eine NEXUS-Vorläufer-Teleskop-Mission vor. ⓘ
Die Korrektur der fehlerhaften Optik des Hubble-Weltraumteleskops in seinen ersten Jahren spielte eine wichtige Rolle bei der Entstehung des JWST. Im Jahr 1993 bereitete die NASA die Space Shuttle-Mission STS-61 vor, die einen Ersatz für die Kamera des HST und eine Nachrüstung für den abbildenden Spektrographen mit sich bringen sollte, um die sphärische Aberration des Hauptspiegels zu kompensieren. Während die astronomische Gemeinschaft diese Mission sehnsüchtig erwartete, wies die NASA darauf hin, dass dieser außergewöhnliche Fortschritt bei der Arbeit im Weltraum mit erheblichen Risiken verbunden war und dass der erfolgreiche Abschluss der Mission keineswegs garantiert war. ⓘ
Daher wurde 1995 der Ausschuss "HST & Beyond" gegründet, um die Wirksamkeit der HST-Reparaturmission zu bewerten und Ideen für künftige Weltraumteleskope zu entwickeln, die benötigt würden, wenn die Reparaturmission scheitern sollte. Der Ausschuss hatte das Glück, den Erfolg der Space Shuttle Servicing Mission 1 im Dezember 1993 und die beispiellose öffentliche Reaktion auf die atemberaubenden Bilder, die das HST lieferte, mitzuerleben. ⓘ
Ermutigt durch den Erfolg des HST und in Anerkennung der innovativen Arbeit in Europa für künftige Missionen wurde in ihrem Bericht von 1996 das Konzept eines größeren und viel kälteren, infrarotempfindlichen Teleskops untersucht, das in der kosmischen Zeit bis zur Geburt der ersten Galaxien zurückreichen könnte. Dieses vorrangige wissenschaftliche Ziel übersteigt die Möglichkeiten des HST, da es als warmes Teleskop durch die Infrarotemissionen seines eigenen optischen Systems geblendet wird. Zusätzlich zu den Empfehlungen, die HST-Mission bis 2005 zu verlängern und Technologien für die Suche nach Planeten um andere Sterne zu entwickeln, griff die NASA die Hauptempfehlung von HST & Beyond für ein großes, kaltes Weltraumteleskop (mit einer Strahlungsabkühlung weit unter 0 °C) auf und begann mit dem Planungsprozess für das zukünftige JWST. ⓘ
Seit den 1960er Jahren haben die Nationalen Akademien zu Beginn jedes Jahrzehnts die Gemeinschaft der US-Astronomen organisiert, um kreativ über astronomische Instrumente und Forschung für das folgende Jahrzehnt nachzudenken und einen Konsens über Ziele und Prioritäten zu erzielen. Als treuer Unterstützer dieser Dekadischen Erhebungen für Astronomie und Astrophysik war die NASA auch außerordentlich erfolgreich bei der Entwicklung von Programmen und Instrumenten zur Umsetzung der Empfehlungen der Erhebungen. Trotz der großen Unterstützung und Begeisterung, die die NASA Mitte der 1990er Jahre für den Beginn der Arbeiten an einem HST-Nachfolger erfuhr, hielt die astronomische Gemeinschaft eine hohe Priorisierung durch die Dekadische Erhebung 2000 für unerlässlich. ⓘ
Die Vorbereitungen für die Vermessung umfassten die Weiterentwicklung des wissenschaftlichen Programms für das so genannte Weltraumteleskop der nächsten Generation und die Weiterentwicklung der entsprechenden Technologien durch die NASA. Mit zunehmender Reife wurden die Erforschung der Entstehung von Galaxien im jungen Universum und die Suche nach Planeten um andere Sterne zu den Hauptzielen, die sich unter dem Namen "Origins" von HST & Beyond zusammenschlossen. ⓘ
Ende der 1990er Jahre gründete die NASA das Origins Subcommittee, um diese Bemühungen zu leiten, und das Beyond Einstein Subcommittee, um Missionen zu beaufsichtigen, bei denen das Universum ein Labor für fundamentale Astrophysik ist, z.B. Schwarze Löcher und Supernovae. Wie erhofft, erhielt das NGST in der Dekadischen Erhebung 2000 über Astronomie und Astrophysik die höchste Bewertung, so dass das Projekt mit der vollen Unterstützung eines Konsenses der Gemeinschaft fortgesetzt werden konnte. ⓘ
Ein Administrator der NASA, Dan Goldin, prägte den Begriff "schneller, besser, billiger" und entschied sich für den nächsten großen Paradigmenwechsel in der Astronomie, nämlich die Überwindung der Grenzen eines einzigen Spiegels. Das bedeutete, dass man von "keine beweglichen Teile mehr" zu "lernen, mit beweglichen Teilen zu leben" überging (d. h. segmentierte Optik). Mit dem Ziel, die Massendichte um das Zehnfache zu reduzieren, wurde zunächst Siliziumkarbid mit einer sehr dünnen Glasschicht darüber in Betracht gezogen, doch schließlich fiel die Wahl auf Beryllium. ⓘ
Die Ära des "schneller, besser, billiger" brachte Mitte der 1990er Jahre das NGST-Konzept hervor, mit einer 8 m großen Öffnung, die zu L2 geflogen werden sollte und deren Kosten auf 500 Millionen US-Dollar geschätzt wurden. 1997 arbeitete die NASA mit dem Goddard Space Flight Center, Ball Aerospace & Technologies und TRW zusammen, um technische Anforderungs- und Kostenstudien zu den drei verschiedenen Konzepten durchzuführen, und wählte 1999 Lockheed Martin und TRW für vorläufige Konzeptstudien aus. Der Start war damals für 2007 geplant, wurde aber immer wieder verschoben (siehe Tabelle weiter unten). ⓘ
Im Jahr 2002 wurde das Projekt nach dem zweiten NASA-Administrator (1961-1968), James E. Webb (1906-1992), umbenannt. Webb leitete die Behörde während des Apollo-Programms und etablierte die wissenschaftliche Forschung als eine der Hauptaktivitäten der NASA. ⓘ
Im Jahr 2003 erteilte die NASA TRW den Hauptauftrag für das JWST in Höhe von 824,8 Millionen US-Dollar. Der Entwurf sah einen verkleinerten Hauptspiegel von 6,1 m (20 Fuß) und einen Starttermin im Jahr 2010 vor. Später im selben Jahr wurde TRW in einem feindlichen Übernahmeverfahren von Northrop Grumman übernommen und wurde zu Northrop Grumman Space Technology. ⓘ
JWST ist ein Projekt der NASA, an dem die Europäische Weltraumorganisation (ESA) und die Kanadische Weltraumorganisation (CSA), die sich 2004 bzw. 2007 formell beteiligten, international mitarbeiten. ⓘ
Entwicklung - (Neu-)Planung - 2005
Die Entwicklung wurde vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, geleitet, dessen Projektwissenschaftler John C. Mather war. Hauptauftragnehmer war Northrop Grumman Aerospace Systems, das für die Entwicklung und den Bau des Raumfahrzeugs verantwortlich war, das den Satellitenbus, den Sonnenschild, die ausfahrbare Turmbaugruppe (Deployable Tower Assembly, DTA), die das optische Teleskopelement mit dem Satellitenbus verbindet, und die mittlere Auslegerbaugruppe (Mid Boom Assembly, MBA), mit deren Hilfe die großen Sonnenschilde in der Umlaufbahn ausgefahren werden, umfasste, während Ball Aerospace & Technologies als Unterauftragnehmer mit der Entwicklung und dem Bau des OTE selbst und des integrierten wissenschaftlichen Instrumentenmoduls (Integrated Science Instrument Module, ISIM) beauftragt wurde. ⓘ
Der im Frühjahr 2005 festgestellte Kostenanstieg führte zu einer Neuplanung im August 2005. Die wichtigsten technischen Ergebnisse der Neuplanung waren erhebliche Änderungen an den Integrations- und Testplänen, eine 22-monatige Startverzögerung (von 2011 bis 2013) und die Abschaffung der Tests auf Systemebene für Beobachtungsmodi mit einer Wellenlänge von weniger als 1,7 μm. Andere wichtige Merkmale des Observatoriums blieben unverändert. Nach der Neuplanung wurde das Projekt im April 2006 unabhängig überprüft. ⓘ
In der Neuplanung von 2005 wurden die Lebenszykluskosten des Projekts auf 4,5 Milliarden US-Dollar geschätzt. Davon entfielen ca. 3,5 Mrd. USD auf Entwurf, Entwicklung, Start und Inbetriebnahme und ca. 1,0 Mrd. USD auf den zehnjährigen Betrieb. Die ESA erklärte sich 2004 bereit, einen Beitrag von etwa 300 Millionen Euro zu leisten, einschließlich der Startkosten. Die kanadische Raumfahrtagentur sagte 2007 39 Millionen kanadische Dollar zu und lieferte 2012 ihren Beitrag in Form von Ausrüstung, um das Teleskop auszurichten und die atmosphärischen Bedingungen auf fernen Planeten zu ermitteln. ⓘ
Bau (detaillierte Planung - ab 2007)
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Im Januar 2007 haben neun der zehn Technologieentwicklungen des Projekts erfolgreich eine Überprüfung ohne Beanstandungen bestanden. Diese Technologien wurden als ausreichend ausgereift erachtet, um die wesentlichen Risiken des Projekts auszuschalten. Die verbleibende Technologieentwicklung (der MIRI-Kryokühler) erreichte im April 2007 den Meilenstein der Technologiereife. Diese Technologieüberprüfung war der erste Schritt in dem Prozess, der das Projekt schließlich in die Phase der detaillierten Planung (Phase C) brachte. Im Mai 2007 lagen die Kosten immer noch im Plan. Im März 2008 schloss das Projekt die vorläufige Entwurfsprüfung (Preliminary Design Review, PDR) erfolgreich ab. Im April 2008 bestand das Projekt den Non-Advocate Review. Weitere bestandene Überprüfungen waren die Überprüfung des Integrated Science Instrument Module im März 2009, die Überprüfung des Optical Telescope Element im Oktober 2009 und die Überprüfung des Sunshield im Januar 2010. ⓘ
Im April 2010 bestand das Teleskop den technischen Teil des Mission Critical Design Review (MCDR). Das Bestehen der MCDR bedeutet, dass das integrierte Observatorium alle wissenschaftlichen und technischen Anforderungen für seine Mission erfüllen kann. Die MCDR umfasste alle vorangegangenen Designprüfungen. In den Monaten nach der MCDR wurde der Projektzeitplan im Rahmen des so genannten Independent Comprehensive Review Panel (Unabhängiges umfassendes Überprüfungsgremium) überprüft, was zu einer Neuplanung der Mission führte, die einen Start im Jahr 2015, aber auch erst 2018 vorsah. Im Jahr 2010 wirkten sich die Kostenüberschreitungen auf andere Projekte aus, obwohl JWST selbst im Zeitplan blieb. ⓘ
2011 befand sich das JWST-Projekt in der endgültigen Entwurfs- und Fertigungsphase (Phase C). Wie für ein komplexes Design, das nach dem Start nicht mehr geändert werden kann, üblich, wird jeder Teil des Designs, der Konstruktion und des geplanten Betriebs eingehend überprüft. Mit dem Projekt wurde technologisch Neuland betreten, und es hat seine Entwurfsprüfungen bestanden. In den 1990er Jahren war nicht bekannt, ob ein so großes Teleskop mit einer so geringen Masse möglich ist. ⓘ
Die Montage der sechseckigen Segmente des Hauptspiegels, die über einen Roboterarm erfolgte, begann im November 2015 und wurde am 3. Februar 2016 abgeschlossen. Der Sekundärspiegel wurde am 3. März 2016 installiert. Die endgültige Konstruktion des Webb-Teleskops wurde im November 2016 abgeschlossen, woraufhin umfangreiche Testverfahren begannen. ⓘ
Im März 2018 verschob die NASA den Start des JWST um weitere zwei Jahre auf Mai 2020, nachdem der Sonnenschutzschild des Teleskops bei einer Probeentfaltung gerissen war und die Kabel des Sonnenschutzschilds nicht ausreichend gespannt waren. Im Juni 2018 verschob die NASA den Start um weitere 10 Monate auf März 2021, basierend auf der Bewertung des unabhängigen Prüfungsausschusses, der nach dem fehlgeschlagenen Testeinsatz im März 2018 einberufen wurde. Bei der Überprüfung wurde festgestellt, dass der Start und die Inbetriebnahme des JWST 344 potenzielle Einzelpunktfehler aufweisen - Aufgaben, für die es im Falle eines Misserfolgs keine Alternative oder Möglichkeit der Wiederherstellung gibt und die daher erfolgreich sein müssen, damit das Teleskop funktioniert. Im August 2019 wurde die mechanische Integration des Teleskops abgeschlossen, was bereits 12 Jahre zuvor, im Jahr 2007, geplant war. ⓘ
Nach Abschluss der Bauarbeiten wurde das JWST in einer Fabrik von Northrop Grumman in Redondo Beach, Kalifornien, letzten Tests unterzogen. Ein Schiff mit dem Teleskop verließ Kalifornien am 26. September 2021, durchquerte den Panamakanal und kam am 12. Oktober 2021 in Französisch-Guayana an. ⓘ
Kosten und Zeitplan
Die Kosten der NASA für das Projekt belaufen sich über die gesamte Lebensdauer auf voraussichtlich 9,7 Milliarden US-Dollar, wovon 8,8 Milliarden US-Dollar für den Entwurf und die Entwicklung des Raumfahrzeugs aufgewendet wurden und 861 Millionen US-Dollar für den fünfjährigen Betrieb der Mission vorgesehen sind. Vertreter der ESA und der CSA gaben an, dass sich ihre Beiträge zum Projekt auf etwa 700 Mio. € bzw. 200 Mio. CA$ belaufen. ⓘ
Eine Studie des Space Science Board aus dem Jahr 1984 schätzte die Kosten für den Bau eines Infrarot-Observatoriums der nächsten Generation in der Umlaufbahn auf 4 Milliarden US-Dollar (7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2006 bzw. 10 Milliarden US-Dollar im Jahr 2020). Während diese Schätzung den endgültigen Kosten für das JWST sehr nahe kam, war der erste Entwurf der NASA Ende der 1990er Jahre bescheidener und sah einen Preis von 1 Mrd. USD für eine Bauzeit von 10 Jahren vor. Im Laufe der Zeit wurde dieser Entwurf erweitert, es wurden zusätzliche Mittel für unvorhergesehene Ereignisse bereitgestellt, und es kam zu Verzögerungen bei der Planung. ⓘ
| Jahr | Geplanter Start |
Geplantes Budget (Milliarde USD) |
|---|---|---|
| 1998 | 2007 | 1 |
| 2000 | 2009 | 1.8 |
| 2002 | 2010 | 2.5 |
| 2003 | 2011 | 2.5 |
| 2005 | 2013 | 3 |
| 2006 | 2014 | 4.5 |
| 2008: Vorläufige Entwurfsprüfung | ||
| 2008 | 2014 | 5.1 |
| 2010: Kritische Entwurfsprüfung | ||
| 2010 | 2015 bis 2016 | 6.5 |
| 2011 | 2018 | 8.7 |
| 2017 | 2019 | 8.8 |
| 2018 | 2020 | ≥8.8 |
| 2019 | März 2021 | 9.66 |
| 2021 | Dezember 2021 | 9.70 |
Bis 2008, als das Projekt in die vorläufige Entwurfsprüfung eintrat und offiziell für den Bau bestätigt wurde, waren bereits mehr als 1 Milliarde US-Dollar für die Entwicklung des Teleskops ausgegeben worden, und das Gesamtbudget wurde auf etwa 5 Milliarden US-Dollar geschätzt (das entspricht 6,94 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021). Im Sommer 2010 bestand die Mission die kritische Entwurfsprüfung (Critical Design Review, CDR) mit ausgezeichneten Noten in allen technischen Belangen, aber Termin- und Kostenüberschreitungen veranlassten die US-Senatorin Barbara Mikulski aus Maryland, eine externe Überprüfung des Projekts zu fordern. Das Independent Comprehensive Review Panel (ICRP) unter dem Vorsitz von J. Casani (JPL) kam zu dem Schluss, dass der frühestmögliche Starttermin Ende 2015 wäre, was zusätzliche Kosten in Höhe von 1,5 Milliarden US-Dollar (insgesamt 6,5 Milliarden US-Dollar) verursachen würde. Sie wiesen auch darauf hin, dass dies eine zusätzliche Finanzierung im GJ 2011 und GJ 2012 erfordert hätte und dass jeder spätere Starttermin zu höheren Gesamtkosten führen würde. ⓘ
Am 6. Juli 2011 schlug der Haushaltsausschuss des US-Repräsentantenhauses für Handel, Justiz und Wissenschaft vor, das James-Webb-Projekt zu streichen, indem er einen Haushalt für das GJ 2012 vorschlug, in dem 1,9 Milliarden US-Dollar aus dem Gesamtbudget der NASA gestrichen wurden, wovon etwa ein Viertel auf JWST entfiel. 3 Milliarden US-Dollar waren bereits ausgegeben worden, und 75 % der Hardware befanden sich in der Produktion. Dieser Haushaltsvorschlag wurde am folgenden Tag in einer Abstimmung des Unterausschusses angenommen. Der Ausschuss warf dem Projekt vor, dass es "Milliarden von Dollar über dem Budget liegt und von schlechtem Management geplagt wird". Daraufhin gab die American Astronomical Society eine Erklärung zur Unterstützung von JWST ab, ebenso wie Senatorin Mikulski. Auch in der internationalen Presse erschien 2011 eine Reihe von Leitartikeln zur Unterstützung von JWST. Im November 2011 nahm der Kongress die Pläne zur Streichung von JWST zurück und beschränkte stattdessen die zusätzlichen Mittel für die Fertigstellung des Projekts auf 8 Milliarden US-Dollar. ⓘ
Während ähnliche Probleme bereits andere NASA-Großprojekte wie das Hubble-Teleskop betrafen, äußerten einige Wissenschaftler ihre Besorgnis über die steigenden Kosten und Verzögerungen beim Webb-Teleskop und befürchteten, dass sein Budget mit dem anderer Weltraumforschungsprogramme konkurrieren könnte. In einem Nature-Artikel von 2010 wurde das JWST als "das Teleskop, das die Astronomie gefressen hat" bezeichnet. Die NASA verteidigte gegenüber dem Kongress weiterhin das Budget und den Zeitplan des Programms. ⓘ
Am 27. März 2018 verschob die NASA den Start auf Mai 2020 oder später, wobei eine endgültige Kostenschätzung erst nach Festlegung eines neuen Startfensters mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) erfolgen wird. Im Jahr 2019 wurde die Kostenobergrenze für die Mission um 800 Millionen US-Dollar erhöht. Nachdem das Startfenster im Jahr 2020 wegen der COVID-19-Pandemie pausiert worden war, wurde JWST schließlich Ende 2021 mit einem Gesamtbudget von knapp 10 Mrd. USD gestartet. ⓘ
Partnerschaft
NASA, ESA und CSA arbeiten seit 1996 gemeinsam an dem Teleskop. Die Beteiligung der ESA an Bau und Start wurde 2003 von ihren Mitgliedern genehmigt, und 2007 wurde eine Vereinbarung zwischen ESA und NASA unterzeichnet. Als Gegenleistung für die umfassende Partnerschaft, die Vertretung und den Zugang zum Observatorium für ihre Astronomen stellt die ESA das NIRSpec-Instrument, die optische Bank des MIRI-Instruments, eine Ariane 5 ECA-Trägerrakete und Personal zur Unterstützung des Betriebs zur Verfügung. Die CSA stellt den Fine Guidance Sensor und den Near-Infrared Imager Slitless Spectrograph sowie Personal zur Unterstützung des Betriebs zur Verfügung. ⓘ
Mehrere tausend Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker aus 15 Ländern haben zum Bau, zu den Tests und zur Integration des JWST beigetragen. Insgesamt sind 258 Unternehmen, Regierungsbehörden und akademische Einrichtungen an dem Projekt beteiligt: 142 aus den Vereinigten Staaten, 104 aus 12 europäischen Ländern (darunter 21 aus Großbritannien, 16 aus Frankreich, 12 aus Deutschland und 7 aus anderen Ländern) und 12 aus Kanada. Andere NASA-Partnerländer, wie Australien, sind oder werden am Betrieb nach dem Start beteiligt sein. ⓘ
Teilnehmende Länder:
Österreich
Belgien
Kanada
Tschechische Republik
Dänemark
Finnland
Frankreich
Deutschland
Griechenland
Irland
Italien
Luxemburg
Niederlande
Norwegen
Portugal
Spanien
Schweden
Schweiz
Vereinigtes Königreich
Vereinigte Staaten ⓘ
Öffentliche Ausstellungen und Öffentlichkeitsarbeit
Ein großes Teleskopmodell ist seit 2005 an verschiedenen Orten zu sehen: in den Vereinigten Staaten in Seattle, Washington; Colorado Springs, Colorado; Greenbelt, Maryland; Rochester, New York; New York City; und Orlando, Florida; und anderswo in Paris, Frankreich; Dublin, Irland; Montreal, Kanada; Hatfield, Vereinigtes Königreich; und München, Deutschland. Das Modell wurde vom Hauptauftragnehmer, Northrop Grumman Aerospace Systems, gebaut. ⓘ
Im Mai 2007 wurde ein maßstabsgetreues Modell des Teleskops zusammengebaut und im National Air and Space Museum der Smithsonian Institution an der National Mall in Washington, D.C., ausgestellt. Das Modell unterscheidet sich erheblich vom Teleskop, da es der Schwerkraft und den Witterungseinflüssen standhalten muss. Es besteht daher hauptsächlich aus Aluminium und Stahl, misst etwa 24 m × 12 m × 12 m und wiegt 5.500 kg (12.100 lb). ⓘ
Das Modell wurde während des World Science Festivals 2010 im Battery Park in New York City ausgestellt, wo es als Kulisse für eine Podiumsdiskussion mit dem Nobelpreisträger John C. Mather, dem Astronauten John M. Grunsfeld und der Astronomin Heidi Hammel diente. Im März 2013 war das Modell auf der SXSW 2013 in Austin zu sehen. Amber Straughn, die stellvertretende Projektwissenschaftlerin für Wissenschaftskommunikation, ist seit 2013 Sprecherin des Projekts bei vielen SXSW-Veranstaltungen sowie bei der Comic Con, TEDx und anderen öffentlichen Veranstaltungen. ⓘ
Kontroverse über den Namen
Im Jahr 2002 traf der NASA-Administrator (2001-2004) Sean O'Keefe die Entscheidung, das Teleskop nach James E. Webb zu benennen, dem NASA-Administrator von 1961 bis 1968 während des Mercury-, Gemini- und eines Großteils des Apollo-Programms. ⓘ
Im Jahr 2015 tauchten Vorwürfe über Webbs Rolle bei der Lavender Scare auf, der Mitte des 20. Jahrhunderts von der US-Regierung betriebenen Verfolgung von beschuldigten Homosexuellen im Bundesdienst. Jahrhunderts, die zur Entlassung von fast 300 Mitarbeitern des US-Außenministeriums zwischen 1950 und 1952 führte; Webb war von Anfang 1949 bis Anfang 1952 Unterstaatssekretär im Außenministerium. Der Astrophysiker Hakeem Oluseyi argumentierte, dass die Anschuldigungen gegen Webb auf einem Zitat beruhten, das ihm fälschlicherweise auf Wikipedia zugeschrieben wurde, und konnte wenig bis gar keine Beweise dafür finden, dass er sich an der Diskriminierung von Homosexuellen beteiligte. Im März 2021 veröffentlichten vier Wissenschaftler einen Meinungsartikel im Scientific American, in dem sie die NASA aufforderten, den Namen des Teleskops aufgrund der angeblichen Mitschuld von Webb zu überdenken. Über die Kontroverse wurde in der Presse ausführlich berichtet. Im September 2021 gab die NASA ihre Entscheidung bekannt, das Teleskop nicht umzubenennen. O'Keefe, der die Entscheidung getroffen hatte, das Teleskop nach Webb zu benennen, erklärte, dass es eine Ungerechtigkeit sei, Webb "für diese Aktivitäten verantwortlich zu machen, wenn es keine Beweise gibt, die auch nur andeuten, dass er daran beteiligt war". Die American Astronomical Society schickte zwei Briefe an den NASA-Administrator Bill Nelson, in denen sie die NASA aufforderte, einen öffentlichen Bericht über ihre Untersuchung zu veröffentlichen. Die Untersuchung dauert noch an; Dokumente aus einem Berufungsurteil aus dem Jahr 1969 (bezüglich der Entlassung eines Mitarbeiters im Jahr 1963) deuten darauf hin, dass die Entlassung von Homosexuellen innerhalb der Behörde als üblich angesehen wurde. ⓘ
Ziele der Mission
Das James Webb Space Telescope hat vier Hauptziele:
- die Suche nach dem Licht der ersten Sterne und Galaxien, die sich nach dem Urknall im Universum gebildet haben
- Untersuchung der Entstehung und Entwicklung von Galaxien
- Verständnis der Stern- und Planetenentstehung
- Erforschung von Planetensystemen und der Ursprünge des Lebens ⓘ
Diese Ziele lassen sich durch Beobachtungen im nahen Infrarot effektiver erreichen als mit Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums. Aus diesem Grund werden die JWST-Instrumente nicht wie das Hubble-Teleskop sichtbares oder ultraviolettes Licht messen, sondern eine viel größere Kapazität für die Infrarotastronomie haben. JWST wird für einen Wellenlängenbereich von 0,6 bis 28 μm empfindlich sein (das entspricht dem orangefarbenen Licht bzw. der Strahlung im tiefen Infrarot bei etwa 100 K oder -173 °C). ⓘ
JWST könnte genutzt werden, um Informationen über das schwächer werdende Licht des Sterns KIC 8462852 zu sammeln, der 2015 entdeckt wurde und einige anormale Lichtkurveneigenschaften aufweist. ⓘ
Außerdem wird es in der Lage sein, festzustellen, ob ein Exoplanet Methan in seiner Atmosphäre hat, so dass die Astronomen feststellen können, ob das Methan eine Biosignatur ist oder nicht. ⓘ
Entwurf der Umlaufbahn
JWST umkreist die Sonne in der Nähe des zweiten Lagrange-Punktes (L2) des Sonne-Erde-Systems, der 1.500.000 km von der Sonne entfernt ist und etwa viermal so weit entfernt ist wie die Umlaufbahn des Mondes. Normalerweise bräuchte ein Objekt, das die Sonne in größerer Entfernung als die Erde umkreist, länger als ein Jahr, um seine Umlaufbahn zu vollenden. In der Nähe des L2-Punktes jedoch ermöglicht die kombinierte Anziehungskraft von Erde und Sonne, dass ein Raumfahrzeug die Sonne in der gleichen Zeit umkreist wie die Erde. Durch die Nähe zur Erde können die Datenraten bei einer bestimmten Antennengröße viel schneller sein. ⓘ
Das Teleskop umkreist den Sonne-Erde-L2-Punkt in einer Halo-Bahn, die gegenüber der Ekliptik geneigt ist, einen Radius zwischen etwa 250.000 km und 832.000 km hat und etwa ein halbes Jahr dauert. Da L2 nur ein Gleichgewichtspunkt ohne Anziehungskraft ist, handelt es sich bei einer Halo-Umlaufbahn nicht um eine Umlaufbahn im üblichen Sinne: Das Raumfahrzeug befindet sich tatsächlich in einer Umlaufbahn um die Sonne, und die Halo-Umlaufbahn kann als kontrollierte Drift betrachtet werden, um in der Nähe des L2-Punktes zu bleiben. Dies erfordert ein gewisses Maß an Stationshaltung: etwa 2,5 m/s pro Jahr vom gesamten ∆v-Budget von 93 m/s. Das Antriebssystem des Observatoriums besteht aus zwei Gruppen von Triebwerken. Da sich die Triebwerke ausschließlich auf der der Sonne zugewandten Seite des Observatoriums befinden, sind alle Stationierungsvorgänge so ausgelegt, dass die erforderliche Schubkraft leicht unterschritten wird, um zu vermeiden, dass das JWST über den halbstabilen L2-Punkt hinausgeschoben wird, was eine nicht wiederherstellbare Situation wäre. Randy Kimble, der Wissenschaftler für das Integrations- und Testprojekt des James-Webb-Weltraumteleskops, verglich die präzise Stationierung des JWST mit "Sisyphus [...], der diesen Felsen den sanften Abhang in der Nähe der Spitze des Hügels hinaufrollt - wir wollen nicht, dass er über den Kamm rollt und ihm entkommt".
Infrarotastronomie
JWST ist der offizielle Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops (HST), und da sein Hauptaugenmerk auf der Infrarotastronomie liegt, ist es auch ein Nachfolger des Spitzer-Weltraumteleskops. Das JWST wird diese beiden Teleskope bei weitem übertreffen, da es viel mehr und viel ältere Sterne und Galaxien sehen kann. Die Beobachtung im Infrarotspektrum ist aufgrund der kosmologischen Rotverschiebung und der besseren Durchdringung von verdeckendem Staub und Gas eine Schlüsseltechnik, um dies zu erreichen. Dies ermöglicht die Beobachtung dunklerer, kühlerer Objekte. Da Wasserdampf und Kohlendioxid in der Erdatmosphäre das meiste Infrarot stark absorbieren, ist die bodengebundene Infrarotastronomie auf enge Wellenlängenbereiche beschränkt, in denen die Atmosphäre weniger stark absorbiert. Hinzu kommt, dass die Atmosphäre selbst im Infrarotspektrum strahlt und oft das Licht des zu beobachtenden Objekts überstrahlt. Aus diesem Grund ist ein Weltraumteleskop für die Infrarotbeobachtung vorzuziehen. ⓘ
Je weiter ein Objekt entfernt ist, desto jünger erscheint es; sein Licht hat länger gebraucht, um den menschlichen Beobachter zu erreichen. Da sich das Universum ausdehnt, wird das Licht auf seiner Reise rotverschoben, so dass Objekte in extremen Entfernungen leichter zu erkennen sind, wenn sie im Infrarotbereich betrachtet werden. Es wird erwartet, dass die Infrarot-Fähigkeiten von JWST einen Blick in die Vergangenheit ermöglichen, bis hin zu den ersten Galaxien, die sich nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben. ⓘ
Infrarotstrahlung kann freier durch Regionen kosmischen Staubs dringen, die sichtbares Licht streuen. Beobachtungen im Infraroten ermöglichen die Untersuchung von Objekten und Regionen im Weltraum, die im sichtbaren Spektrum durch Gas und Staub verdeckt wären, wie z. B. die Molekülwolken, in denen Sterne geboren werden, die zirkumstellaren Scheiben, aus denen Planeten entstehen, und die Kerne aktiver Galaxien. ⓘ
Relativ kühle Objekte (Temperaturen unter einigen tausend Grad) strahlen hauptsächlich im Infraroten, wie im Planckschen Gesetz beschrieben. Daher lassen sich die meisten Objekte, die kühler als Sterne sind, besser im Infraroten untersuchen. Dazu gehören die Wolken des interstellaren Mediums, braune Zwerge, Planeten sowohl in unserem eigenen als auch in anderen Sonnensystemen, Kometen und Objekte im Kuipergürtel, die mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) beobachtet werden sollen. ⓘ
Einige der Missionen in der Infrarotastronomie, die die Entwicklung von JWST beeinflusst haben, waren Spitzer und die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Spitzer zeigte die Bedeutung des mittleren Infrarots, das für Aufgaben wie die Beobachtung von Staubscheiben um Sterne hilfreich ist. Außerdem zeigte die WMAP-Sonde, dass das Universum bei der Rotverschiebung 17 "leuchtet", was die Bedeutung des mittleren Infrarots weiter unterstreicht. Beide Missionen wurden in den frühen 2000er Jahren gestartet, rechtzeitig, um die Entwicklung des JWST zu beeinflussen. ⓘ
Bodenunterstützung und Betrieb
Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, auf dem Homewood-Campus der Johns Hopkins University, wurde als Wissenschafts- und Betriebszentrum (S&OC) für JWST ausgewählt und mit einem anfänglichen Budget von 162,2 Millionen US-Dollar ausgestattet, um den Betrieb im ersten Jahr nach dem Start zu unterstützen. In dieser Funktion wird das STScI für den wissenschaftlichen Betrieb des Teleskops und die Bereitstellung von Datenprodukten für die astronomische Gemeinschaft verantwortlich sein. Die Daten werden vom JWST über das Deep Space Network der NASA zum Boden übertragen, am STScI verarbeitet und kalibriert und dann online an Astronomen weltweit verteilt. Ähnlich wie beim Betrieb von Hubble wird jeder überall auf der Welt Vorschläge für Beobachtungen einreichen können. Jedes Jahr werden mehrere Ausschüsse von Astronomen die eingereichten Vorschläge begutachten, um die Projekte auszuwählen, die im kommenden Jahr beobachtet werden sollen. Die Autoren der ausgewählten Vorschläge haben in der Regel ein Jahr lang privaten Zugang zu den neuen Beobachtungen. Danach werden die Daten öffentlich zugänglich und können von jedermann aus dem Online-Archiv des STScI heruntergeladen werden. ⓘ
Die Bandbreite und der digitale Durchsatz des Satelliten sind so ausgelegt, dass während der gesamten Dauer der Mission täglich 458 Gigabit an Daten übertragen werden können (dies entspricht einer konstanten Rate von 5,42 Megabit pro Sekunde [Mbps]). Der Großteil der Datenverarbeitung auf dem Teleskop wird von herkömmlichen Einplatinencomputern übernommen. Die Digitalisierung der analogen Daten von den Instrumenten wird von dem speziell angefertigten SIDECAR ASIC (System for Image Digitization, Enhancement, Control And Retrieval Application Specific Integrated Circuit) durchgeführt. Nach Angaben der NASA wird der SIDECAR ASIC alle Funktionen eines 9,1 kg schweren Instrumentengehäuses in einem 3 cm großen Gehäuse unterbringen und nur 11 Milliwatt Strom verbrauchen. Da diese Umwandlung in der Nähe der Detektoren auf der kalten Seite des Teleskops erfolgen muss, ist die geringe Verlustleistung entscheidend für die Aufrechterhaltung der niedrigen Temperatur, die für den optimalen Betrieb des JWST erforderlich ist. ⓘ
Mikrometeoriteneinschlag
Das C3-Spiegelsegment erlitt zwischen dem 23. und 25. Mai einen Mikrometeoriteneinschlag durch ein großes staubmottengroßes Teilchen, den fünften und größten Einschlag seit dem Start, wie am 8. Juni 2022 berichtet wurde, was die Ingenieure dazu veranlasste, den Einschlag mit Hilfe eines Spiegelaktuators auszugleichen. Trotz des Einschlags heißt es in einem Charakterisierungsbericht der NASA, dass "alle JWST-Beobachtungsmodi überprüft und bestätigt wurden, dass sie ab dem 10. Juli 2022 für den wissenschaftlichen Einsatz bereit sind". ⓘ
Vom Start bis zur Inbetriebnahme
Start
Wissenschaftler und Ingenieure, die an dem Projekt mitgearbeitet haben, schilderten ihre Vorfreude und ihre Angst vor dem Start des fast 10 Milliarden Dollar teuren und gründlich getesteten Instruments mit den Worten, es sei "ein aufregender Moment" und sie hätten "die ganze Zeit Angst". Der Start (Ariane-Flug VA256) erfolgte wie geplant am 25. Dezember 2021 um 12.20 Uhr UTC mit einer Ariane-5-Rakete, die vom Raumfahrtzentrum Guayana in Französisch-Guayana abhob. Nach dem erfolgreichen Start sprach NASA-Administrator Bill Nelson von einem "großen Tag für den Planeten Erde". Es wurde bestätigt, dass das Teleskop mit Strom versorgt wird und eine zweiwöchige Entfaltungsphase seiner Teile beginnt, bevor es zu seinem Zielort reist. Das Observatorium war über einen Adapterring an der Ariane 5 befestigt, der von einer zukünftigen Raumsonde genutzt werden könnte, um das Observatorium zu greifen und zu versuchen, grobe Entfaltungsprobleme zu beheben. Das Teleskop selbst kann jedoch nicht gewartet werden, und Astronauten könnten keine Aufgaben wie den Austausch von Instrumenten wie beim Hubble-Teleskop durchführen. Das Teleskop wurde 27 Minuten und 7 Sekunden nach dem Start von der Oberstufe abgetrennt. Damit begann eine 30-tägige Anpassung, um das Teleskop in eine Lissajous-Bahn um den Lagrange-Punkt L2 zu bringen. ⓘ
Das Teleskop wurde mit einer etwas geringeren Geschwindigkeit gestartet, als für das Erreichen seiner endgültigen Umlaufbahn erforderlich ist, und wurde auf seinem Weg von der Erde weg verlangsamt, um L2 nur mit der Geschwindigkeit zu erreichen, die für den Eintritt in die dortige Umlaufbahn erforderlich ist. Das Teleskop erreichte L2 am 24. Januar 2022. Der Flug beinhaltete drei geplante Kurskorrekturen, um seine Geschwindigkeit und Richtung anzupassen. Der Grund dafür ist, dass das Observatorium sich von einem Unterschub (zu langsam) erholen konnte, nicht aber von einem Überschub (zu schnell) - zum Schutz der sehr temperaturempfindlichen Instrumente muss der Sonnenschutzschild zwischen dem Teleskop und der Sonne verbleiben, so dass die Sonde nicht umdrehen oder ihre Schubdüsen zum Abbremsen verwenden konnte. ⓘ
Die nominelle Missionsdauer des Teleskops beträgt fünf Jahre, das Ziel sind zehn Jahre. Die geplante fünfjährige wissenschaftliche Mission beginnt nach einer sechsmonatigen Inbetriebnahmephase. Eine L2-Umlaufbahn ist instabil, daher muss JWST Treibstoff verwenden, um seine Halo-Umlaufbahn um L2 aufrechtzuerhalten (bekannt als Stationierung), damit das Teleskop nicht von seiner Orbitalposition abdriftet. Ursprünglich war das Teleskop für eine Treibstoffmenge von 10 Jahren ausgelegt, doch dank der Präzision des Ariane-5-Starts und der ersten Kurskorrektur konnte so viel Treibstoff eingespart werden, dass JWST seine Umlaufbahn möglicherweise 20 Jahre lang halten kann. ⓘ
Ariane 5 und JWST auf der Startrampe ELA-3
Ariane 5 mit JWST kurz nach dem Abheben
JWST von der kryotechnischen Oberstufe ESC-D aus gesehen kurz nach der Trennung, etwa 29 Minuten nach dem Start. Im Hintergrund ist ein Teil der Erde mit dem Golf von Aden zu sehen. ⓘ
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Im Sommer 2021 wurde das Teleskop in Long Beach bei Northrop Grumman letzten Tests unterzogen und in einen Spezialbehälter verpackt, der einen transportablen Reinraum darstellte. Ende September 2021 wurde es auf das Schiff MN Colibri verladen, das zum Raumfahrtzentrum Guayana bei Kourou auslief. Damit Piraten das Schiff nicht kapern, um Lösegeld zu erpressen, wurden Details über den Transport nicht medial verbreitet. Ein Transport im Flugzeug kam nicht in Frage, da in Französisch-Guayana die Brücken zwischen Flughafen und Startbasis für solche schwere Lasten nicht ausgelegt sind. Am 12. Oktober kam das Teleskop in einem Spezialtransport am Hafen Pariacabo bei Kourou an. ⓘ
Die Nutzlastverkleidung der Ariane-5-Trägerrakete wurde für das Teleskop modifiziert, weil bei vorherigen Starts der Rakete potenziell schädliche Vibrationen auffielen. Die Nutzlastverkleidung hatte nun 28 Entlüftungsöffnungen, um den Druckausgleich während der Startsequenz zu gewährleisten. Das Teleskop wurde für den Transport in der Rakete zusammengefaltet. Die Gesamtmasse betrug beim Start mit Treibstoff etwa 6,2 Tonnen. Der Schwerpunkt des zusammengefalteten Teleskops lag nicht auf der Rotationsachse der Rakete; zum Ausgleich musste Ballast mitgeführt werden. ⓘ
Transit und Entfaltung der Strukturen
JWST wurde 27 Minuten nach einem fehlerfreien Start von der Oberstufe der Rakete getrennt. 31 Minuten nach dem Start begann JWST mit der Entfaltung des Solarfelds, der Antenne, des Sonnenschilds und der Spiegel, die etwa 13 Tage dauerte. Fast alle Entfaltungsvorgänge werden vom Space Telescope Science Institute in Baltimore gesteuert, mit Ausnahme von zwei frühen automatischen Schritten, dem Entfalten der Sonnenkollektoren und dem Ausfahren der Kommunikationsantenne. Die Mission wurde so konzipiert, dass die Bodenkontrolleure die Möglichkeit haben, die Entfaltungssequenz im Falle von Problemen zu ändern oder zu modifizieren. ⓘ
Das stromerzeugende Solarpanel entfaltete sich am Tag des Starts, eineinhalb Minuten nach der Trennung des Teleskops von der zweiten Stufe der Ariane-Rakete; dies geschah etwas früher als erwartet, da die Startrotation viel näher am Idealwert lag, als es die Entfaltungspläne vorsahen. Sowohl die Abtrennung als auch das Ausfahren des Solarpanels waren in einer Live-Übertragung von einer Kamera auf der Rakete zu sehen. ⓘ
Nach der Entfaltung der Solarzellen wurde die Leistungsabgabe aufgrund eines werkseitig voreingestellten Arbeitszyklus im Array-Regulatormodul, der vor dem Start eingestellt wurde, reduziert. Der Stromverbrauch war höher als die von den Solaranlagen gelieferte Leistung, was zu einer erhöhten Entladung der Teleskopbatterien und einer höheren Spannung als erwartet führte. Um sicherzustellen, dass die Energieversorgung für die Raumsonde und den wissenschaftlichen Betrieb ausreicht, wurden die Solarmodule zurückgesetzt und die Arbeitszyklen optimiert, um den realen Bedingungen, einschließlich der Array-Temperaturen, Rechnung zu tragen. Bei einigen der Motoren für die Schattenentfaltung wurden höhere Temperaturen als gewünscht beobachtet. Obwohl die Motoren innerhalb ihrer Betriebstoleranzen blieben, wurde die Fluglage des Raumfahrzeugs angepasst, um den Motoren zu helfen, die gewünschten Temperaturen zu erreichen, und die Motoren wurden neu ausbalanciert, um größere Spielräume zu gewährleisten. Dies geschah auf der Grundlage der Ergebnisse von Simulatortests. Die meisten Vorhersagemodelle für das Verhalten und die Bedingungen des Fahrzeugs stimmten mit der operativen Entwicklung im Weltraum überein. ⓘ
Um 19:50 Uhr EST am 25. Dezember 2021, etwa 12 Stunden nach dem Start, begannen die beiden Primärraketen des Teleskops 65 Minuten lang zu feuern, um die erste von drei geplanten Kurskorrekturen vorzunehmen. Am zweiten Tag wurde die Kommunikationsantenne mit hoher Verstärkung automatisch ausgefahren. ⓘ
Am 27. Dezember 2021, 60 Stunden nach dem Start, zündeten die Webb-Raketen neun Minuten und 27 Sekunden lang, um die zweite von drei Kurskorrekturen vorzunehmen, damit das Teleskop sein Ziel L2 erreicht. Am 28. Dezember 2021, drei Tage nach dem Start, begannen die Missionskontrolleure mit der mehrtägigen Entfaltung des wichtigen Sonnenschutzschildes von Webb. Sie gaben Befehle, mit denen die vorderen und hinteren Palettenstrukturen, die den Sonnenschutzschild enthalten, erfolgreich abgesenkt wurden. Diese Entfaltung geht der eigentlichen Entfaltung und dem Ausfahren der empfindlichen Schildmembranen voraus, die in einem weiteren Schritt mit Hilfe von Teleskopstangen aus den Paletten gezogen werden. ⓘ
Am 29. Dezember 2021 fuhren die Fluglotsen erfolgreich den ausfahrbaren Turm aus, eine rohrförmige Säule, die die beiden Hauptsegmente des Observatoriums, das Teleskop mit seinen Spiegeln und wissenschaftlichen Instrumenten und den "Bus" mit der Elektronik und dem Antrieb, voneinander trennt. Die Montage verlängerte sich um 120 cm in einem Prozess, der sechseinhalb Stunden dauerte, einschließlich vieler vorbereitender Befehle. Durch die Entfaltung wurde der erforderliche Abstand zwischen den JWST-Segmenten geschaffen, um eine extreme Kühlung des Teleskops zu ermöglichen und Platz für die Entfaltung des Sonnenschutzschildes zu schaffen. Am 30. Dezember 2021 schlossen die Fluglotsen zwei weitere Schritte beim Auspacken des Observatoriums erfolgreich ab. Zunächst entfalteten sie die hintere "Impulsklappe", eine Vorrichtung, die den Druck der Sonne auf den Sonnenschutzschild ausgleicht und so Treibstoff spart, da weniger Triebwerke gezündet werden müssen, um die Ausrichtung von Webb beizubehalten. Als Nächstes löste die Missionskontrolle die Abdeckungen, die den Sonnenschild schützen, und rollte sie auf, so dass er zum ersten Mal im Weltraum sichtbar wurde. ⓘ
Am 31. Dezember 2021 fuhr das Bodenteam die beiden mittleren Teleskopausleger an der linken und rechten Seite des Observatoriums aus und zog die fünf Sonnenschutzmembranen aus ihren gefalteten Stauräumen in den vorderen und hinteren Paletten, die drei Tage zuvor herabgelassen worden waren. Das Ausfahren des linken Auslegers (in Bezug auf die Ausrichtungsrichtung des Hauptspiegels) verzögerte sich, als die Missionskontrolle zunächst keine Bestätigung erhielt, dass die Sonnenschutzabdeckung vollständig aufgerollt war. Nachdem zusätzliche Daten zur Bestätigung eingesehen wurden, fuhr das Team mit dem Ausfahren der Ausleger fort. Die linke Seite wurde in 3 Stunden und 19 Minuten ausgefahren; die rechte Seite brauchte 3 Stunden und 42 Minuten. Mit diesem Schritt hatte Webbs Sonnenschutzschild seine vollständige, drachenförmige Form angenommen und sich auf seine volle Breite von 14 Metern ausgedehnt. Die Befehle zum Trennen und Spannen der Membranen folgten und sollten mehrere Tage in Anspruch nehmen. ⓘ
Nach einer Ruhepause am Neujahrstag verschob das Bodenteam das Spannen des Sonnenschutzes um einen Tag, um Zeit für die Optimierung der Sonnenkollektoren der Sternwarte zu haben und die Ausrichtung der Sternwarte leicht zu ändern, um die Motoren für die Entfaltung des Sonnenschutzes zu kühlen, die etwas heißer waren als erwartet. Das Spannen der ersten Schicht, die der Sonne am nächsten liegt und die größte der fünf Schichten des Sonnenschilds ist, begann am 3. Januar 2022 und wurde um 15:48 Uhr EST abgeschlossen. Das Spannen der zweiten und dritten Schicht begann um 16:09 Uhr EST und dauerte zwei Stunden und 25 Minuten. Am 4. Januar spannten die Fluglotsen erfolgreich die letzten beiden Schichten, die vierte und fünfte, und beendeten die Aufgabe um 11:59 Uhr EST. ⓘ
Am 5. Januar 2022 setzte die Missionskontrolle erfolgreich den Sekundärspiegel des Teleskops ein, der mit einer Toleranz von etwa eineinhalb Millimetern einrastete. ⓘ
Der letzte Schritt der Strukturentfaltung bestand darin, die Flügel des Hauptspiegels auszufalten. Jedes Panel besteht aus drei Hauptspiegelsegmenten und musste gefaltet werden, damit das Weltraumteleskop in die Verkleidung der Ariane-Rakete für den Start des Teleskops eingebaut werden konnte. Am 7. Januar 2022 setzte die NASA den Backbordflügel und am 8. Januar den Steuerbordspiegelflügel ein und verriegelte ihn. Damit war die strukturelle Entfaltung des Observatoriums erfolgreich abgeschlossen. ⓘ
Am 24. Januar 2022, um 14:00 Uhr EST, fast einen Monat nach dem Start, fand eine dritte und letzte Kurskorrektur statt, die JWST in seine geplante Halo-Umlaufbahn um den L2-Punkt Sonne-Erde brachte. ⓘ
Inbetriebnahme und Tests
Am 12. Januar 2022, noch während des Transits, begann die Ausrichtung der Spiegel. Die Segmente des Primärspiegels und des Sekundärspiegels wurden von ihren geschützten Startpositionen wegbewegt. Dies dauerte etwa 10 Tage, da die 132 Aktuatormotoren für die Feinabstimmung der Spiegelpositionen mit mikroskopischer Genauigkeit (10-Nanometer-Schritte) ausgelegt sind und sich während der ersten Ausrichtung jeweils über 1,2 Millionen Schritte (12,5 mm) bewegen müssen. Um das Risiko und die Komplexität zu verringern und die Wärmeentwicklung in der Nähe der Kühlspiegel zu minimieren, wurde jeweils nur ein Aktuator bewegt, und die Aktuatoren wurden jeweils nur für kurze Zeiträume betrieben, wodurch die Gesamtgeschwindigkeit auf etwa 1 mm pro Tag begrenzt wurde. Die 18 Aktuatoren für den Krümmungsradius (ROC), die die Krümmung der Primärspiegelsegmente regulieren, wurden ebenfalls zur gleichen Zeit aus der Startposition bewegt. ⓘ
Nachdem die 18 Spiegelsegmente von der Startsicherung befreit wurden, werden sie nun feinjustiert und so ausgerichtet, dass sie als ein einziger Spiegel funktionieren - ein Prozess, der voraussichtlich etwa drei der fünf Monate dauern wird, die für die Inbetriebnahme und Tests vorgesehen sind. Die Inbetriebnahme wird dadurch erschwert, dass sich die Leistung des Teleskops und die genaue Form einiger Komponenten während der Abkühlung auch mikroskopisch verändern werden. Die zum Schutz vor Wasser- und Eiskondensation verwendeten Heizungen werden nicht mehr benötigt und nach und nach abgeschaltet. ⓘ
Die Ausrichtung der Spiegel erfordert, dass jedes der 18 Spiegelsegmente und der Sekundärspiegel mit einer Genauigkeit von 50 Nanometern positioniert werden. Die NASA vergleicht die erforderliche Genauigkeit mit einer Analogie: "Wenn der Webb-Primärspiegel die Größe der Vereinigten Staaten hätte, wäre jedes Segment so groß wie Texas, und das Team müsste die Höhe dieser texanischen Segmente mit einer Genauigkeit von etwa 1,5 Zoll ausrichten. ⓘ
- Animationen zur JWST-Spiegelausrichtung
Identifizierung des Segmentbildes. 18 Spiegelsegmente werden verschoben, um festzustellen, welches Segment welches Segmentbild erzeugt. Nach der Zuordnung der Spiegelsegmente zu den jeweiligen Bildern werden die Spiegel gekippt, um alle Bilder für die weitere Analyse auf einen gemeinsamen Punkt zu bringen.
Die Segmentausrichtung beginnt mit der Defokussierung der Segmentbilder durch eine leichte Bewegung des Sekundärspiegels. Die defokussierten Bilder werden einer mathematischen Analyse unterzogen, um die genauen Positionierungsfehler der Segmente zu ermitteln (Phasenrückgewinnung). Die Justierung der Segmente führt dann zu 18 gut korrigierten "Teleskopen". Allerdings arbeiten die Segmente immer noch nicht als ein einziger Spiegel zusammen.
Bildstapelung. Um das gesamte Licht an einem einzigen Ort zu bündeln, muss jedes Segmentbild übereinander gestapelt werden. Bei der Bildstapelung werden die einzelnen Segmentbilder so verschoben, dass sie genau in die Mitte des Feldes fallen und ein einheitliches Bild ergeben. Dieser Vorgang bereitet das Teleskop auf die Grobphasierung vor.
Ausrichtung des Teleskops über die Sichtfelder des Instruments. Nach der Feinabstimmung ist das Teleskop an einer Stelle des NIRCam-Sichtfelds gut ausgerichtet. Nun muss die Ausrichtung auf die übrigen Instrumente ausgedehnt werden. ⓘ
Die Ausrichtung der Spiegel ist ein komplexer Vorgang, der in sieben Phasen unterteilt ist und an einem Modell des Teleskops im Maßstab 1:6 wiederholt geprobt wurde. Sobald die Spiegel 120 K (-153 °C; -244 °F) erreicht haben, peilt NIRCam einen hellen Stern an, den Stern HD 84406 in Ursa Major (6. Größenklasse). (HD 84406 ist hell und leicht zu identifizieren, wird während der gesamten 3-monatigen Inbetriebnahme im Blickfeld bleiben und befindet sich in einem Teil des Himmels mit weniger anderen Sternen). Zu diesem Zweck nimmt NIRCam 1560 Bilder des Himmels auf (156 Bilder mit jedem seiner 10 Sensoren) und verwendet diese weitreichenden Bilder, um zu bestimmen, wohin jedes Segment des Hauptspiegels am Himmel ursprünglich gerichtet ist. Zu Beginn sind die einzelnen Segmente des Hauptspiegels stark dejustiert, so dass das Bild 18 separate, unscharfe Bilder des Sternfelds enthält, die jeweils ein Bild des Zielsterns enthalten. Die 18 Bilder von HD 84406 werden den jeweiligen Spiegelsegmenten zugeordnet, und die 18 Segmente werden annähernd auf den Stern zentriert ("Segment Image Identification"). Jedes Segment wird dann einzeln von seinen Hauptfokussierungsfehlern korrigiert, wobei eine Technik namens "Phase Retrieval" zum Einsatz kommt, die zu 18 separaten, aber individuell hochwertigen Bildern der 18 Spiegelsegmente führt ("Segment Alignment"). Die 18 Bilder jedes Segments werden dann so verschoben, dass sie sich genau überlappen, um ein einziges Bild zu erzeugen ("Image Stacking"). ⓘ
Nachdem die Spiegel nun so positioniert sind, dass sie nahezu korrekte Bilder liefern, müssen sie auf ihre Betriebsgenauigkeit von 50 Nanometern, weniger als eine Wellenlänge des zu erfassenden Lichts, feinabgestimmt werden. Eine Technik namens Dispersed Fringe Sensing vergleicht die Bilder von 20 Spiegelpaaren, wodurch die meisten Fehler korrigiert werden können ("Coarse Phasing"). Anschließend wird dieselbe Technik mit speziellen optischen Elementen verwendet, um ±4 und ±8 Wellen der Defokussierung in das Bild jedes Segments einzubringen, wodurch fast alle verbleibenden Fehler erkannt und korrigiert werden können ("Fine Phasing"). Diese beiden Prozesse werden dreimal wiederholt, und das Fine Phasing wird während des gesamten Betriebs des Teleskops routinemäßig überprüft. ⓘ
Nach drei Durchgängen der Grob- und Feineinstellung ist das Teleskop an einer Stelle des NIRCam-Sichtfelds gut ausgerichtet. Es werden Messungen an verschiedenen Punkten des aufgenommenen Bildes über alle Instrumente hinweg durchgeführt und aus den festgestellten Intensitätsschwankungen Korrekturen berechnet, die ein gut ausgerichtetes Ergebnis über alle Instrumente hinweg ergeben ("Telescope Alignment Over Instrument Fields of View"). ⓘ
Schließlich wird eine letzte Runde der Feinabstimmung und Überprüfung der Bildqualität auf allen Instrumenten durchgeführt, um sicherzustellen, dass alle kleinen Restfehler aus den vorherigen Schritten korrigiert werden ("Iterate Alignment for Final Correction"). Die Spiegelsegmente des Teleskops sind dann ausgerichtet und in der Lage, präzise fokussierte Bilder aufzunehmen. Falls erforderlich, können frühere Schritte erneut getestet werden, um die Genauigkeit zu gewährleisten. ⓘ
In Vorbereitung auf die Ausrichtung gab die NASA am 3. Februar 2022 um 19:28 UTC bekannt, dass NIRCam die ersten Photonen des Teleskops entdeckt hat (allerdings noch keine vollständigen Bilder). Am 11. Februar 2022 gab die NASA bekannt, dass das Teleskop die Phase 1 der Ausrichtung fast abgeschlossen hat, wobei jedes Segment des Hauptspiegels den Zielstern HD 84406 gefunden und abgebildet hat und alle Segmente annähernd ausgerichtet wurden. Phase 1 der Ausrichtung wurde am 18. Februar 2022 abgeschlossen, und eine Woche später, am 25. Februar 2022, wurden auch die Phasen 2 und 3 abgeschlossen. Das bedeutet, dass die 18 Segmente gemeinsam arbeiten, aber bis alle 7 Phasen abgeschlossen sind, verhalten sich die Segmente immer noch wie 18 kleinere Teleskope und nicht wie ein großes. Gleichzeitig mit der Inbetriebnahme des Hauptspiegels werden Hunderte von anderen Instrumenten in Betrieb genommen und kalibriert. ⓘ
Selfie: Der Hauptspiegel des JWST am Zielort
18 Bilder desselben Zielsterns HD 84406 durch die 18 nicht fokussierten Spiegelsegmente.
Zwischenbild der Phase 1, mit Angabe der zugehörigen Spiegelsegmente, die jedes Bild aufgenommen haben
18 nicht fokussierte Bilder desselben Zielsterns HD 84406
Abschlussbild der Phase 1 von HD 84406 mit Anmerkungen
Abschluss von Phase 2, zeigt die Auswirkungen der Segmentausrichtung "vor und nach".
Phase 3 der Fertigstellung: 18 Segmente, die zu einem einzigen Bild von HD 84406 "gestapelt" wurden
Stern 2MASS J17554042+6551277, aufgenommen mit dem NIRCam-Instrument
Ein "Selfie", aufgenommen von der NIRCam während des Ausrichtungsprozesses
Die Bilder der scharf fokussierten Sterne im Sichtfeld der einzelnen Instrumente zeigen, dass das Teleskop vollständig ausgerichtet und fokussiert ist. Die Größen und Positionen der hier gezeigten Bilder stellen die relative Anordnung der einzelnen Webb-Instrumente in der Fokusebene des Teleskops dar, wobei jedes Instrument auf einen leicht versetzten Teil des Himmels zeigt.
Bildvergleich zwischen dem "alten" Spitzer und dem neuen JWST ⓘ
Für die gleichmäßige Abkühlung aller Komponenten bis auf Betriebstemperatur, die Funktionstests, die Kalibrierung der Instrumente und die Feinjustierung der Spiegel waren ab Start sechs Monate Vorbereitungszeit angesetzt; für Mitte 2022 wurden die ersten wissenschaftlichen Daten erwartet. ⓘ
Zur Inbetriebnahme mussten mindestens 300 Mechanismen funktionieren, davon entfielen – je nach Definition – zwischen 144 und 178 auf die Entfaltung des JWST. Diese Mechanismen lassen sich auf 59 „kritische Vorgänge“, von denen das Gelingen der Mission abhängt, zusammenfassen. Das Teleskop ist vom Design her nicht für Reparatur- oder Wartungsarbeiten ausgelegt. ⓘ
Um sicherzustellen, dass die Beobachtungen nicht von der Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) des Teleskops und der Instrumente selbst gestört werden, müssen diese Bauteile dauerhaft unter 50 Kelvin (−223 °C) gehalten werden und insbesondere vor Sonnenstrahlung geschützt sein. Der 21,2 m × 14,2 m große Sonnenschild schirmt sie gegen Sonne, Erde und Mond ab. Das MIRI (Mid Infrared Instrument) wird zusätzlich aktiv auf unter 6 K (−267 °C) gekühlt. Am 13. April 2022 wurde gemeldet, dass das Instrument die Betriebstemperatur erreicht und alle Funktionstests bestanden hat und danach anhand bekannter Objekte kalibriert wird. ⓘ
Für Beobachtungen wird das ganze Observatorium auf das Himmelsobjekt ausgerichtet. Da sich der Sonnenschild immer zwischen Sonne und der Optik befinden muss, kann das JWST jedoch nicht frei um alle drei Achsen gedreht werden. Nur ein ringförmiger Ausschnitt von etwa 39 % des Himmels ist zu einem Zeitpunkt beobachtbar. Da sich das Teleskop zusammen mit der Erde um die Sonne bewegt, ist jedoch auf Dauer der gesamte Himmel im Blickfeld, wobei die Umgebung der beiden Pole der Ekliptik das ganze Jahr über beobachtet werden kann. ⓘ
Zum Ausrichten der Spiegelsegmente wurde als erstes Ziel HD 84406 im Großen Bären ausgewählt, ein Stern in 260 Lichtjahren Entfernung mit einer Magnitude von 6,7. Später wurde auf einen lichtschwächeren Stern gewechselt (2MASS J17554042+6551277, Magnitude 11). Am 16. März 2022 konnte die Kalibrierung auf die NIRCam erfolgreich abgeschlossen werden. ⓘ
Schäden durch Mikrometeoriten ⓘ
Laut einer NASA-Mitteilung vom Juni 2022 haben mehrere Mikrometeoriten den Spiegel des JWST leicht beschädigt. Eigenen Angaben zufolge hatte die NASA solche Schäden zwar einkalkuliert, die Stärke eines der Einschläge übertraf jedoch die Erwartungen um den Faktor 120 und beschädigte das Spiegelsegment C3 irreparabel. Dennoch arbeite das JWST laut NASA immer noch auf einem Niveau, das alle Missionsanforderungen übertreffe und der Schaden könne durch eine Neujustierung der Spiegelsegmente sowie durch Fehlerrechnung ausgeglichen werden. Die Auswirkungen dieser Schäden seien minimal und das Teleskop bleibe innerhalb seiner Konstruktionsspezifikationen. ⓘ
Zuteilung der Beobachtungszeit
Die JWST-Beobachtungszeit wird über ein General Observers (GO) Programm, ein Guaranteed Time Observations (GTO) Programm und ein Director's Discretionary Early Release Science (DD-ERS) Programm vergeben. Das GTO-Programm bietet Wissenschaftlern, die Hardware- und Softwarekomponenten für das Observatorium entwickelt haben, garantierte Beobachtungszeit. Das GO-Programm bietet allen Astronomen die Möglichkeit, sich für Beobachtungszeit zu bewerben und wird den Großteil der Beobachtungszeit ausmachen. GO-Programme werden durch eine Peer Review von einem Time Allocation Committee (TAC) ausgewählt, ähnlich dem Verfahren zur Prüfung von Vorschlägen für das Hubble-Weltraumteleskop. ⓘ
Early Release Science-Programm
Im November 2017 gab das Space Telescope Science Institute die Auswahl von 13 Director's Discretionary Early Release Science (DD-ERS)-Programmen bekannt, die in einem wettbewerbsorientierten Antragsverfahren ausgewählt wurden. Die Beobachtungen für diese Programme werden während der ersten fünf Monate des JWST-Wissenschaftsbetriebs nach dem Ende der Inbetriebnahmephase gewonnen. Insgesamt wurden 460 Stunden Beobachtungszeit für diese 13 Programme vergeben, die wissenschaftliche Themen wie das Sonnensystem, Exoplaneten, Sterne und Sternentstehung, nahe und ferne Galaxien, Gravitationslinsen und Quasare umfassen. Diese 13 ERS-Programme werden insgesamt 242,8 Stunden Beobachtungszeit am Teleskop in Anspruch nehmen (ohne JWST-Overhead-Beobachtung und Schwenkzeit). ⓘ
| Name | Hauptforscher | Kategorie | Beobachtungszeit (Stunden) |
|---|---|---|---|
| Strahlungsrückkopplung massereicher Sterne, aufgespürt durch Multiband-Bildgebung und spektroskopische Mosaike | Olivier Berné | Stellarphysik | 8.3 |
| IceAge: Chemische Entwicklung von Eis während der Sternentstehung | Melissa McClure | Stellarphysik | 13.4 |
| Through the Looking GLASS: Eine JWST-Erkundung der Galaxienentstehung und -entwicklung von der kosmischen Morgendämmerung bis heute | Tommaso Treu | Galaxien und das IGM | 24.3 |
| Eine JWST-Studie über die Starburst-AGN-Verbindung in fusionierenden LIRGs | Lee Armus | Galaxien und das IGM | 8.7 |
| Das Resolved Stellar Populations Early Release Science Program | Daniel Weisz | Stellare Populationen | 20.3 |
| Q-3D: Abbildende Spektroskopie von Quasarwirten mit JWST, analysiert mit einem leistungsfähigen neuen PSF-Zerlegungs- und Spektralanalysepaket | Dominika Wylezalek | Massereiche Schwarze Löcher und ihre Galaxien | 17.4 |
| Der Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey | Steven Finkelstein | Galaxien und das IGM | 36.6 |
| Der Aufbau eines extremen Dynamikbereichs mit JWST: Dekodierung von Rauchsignalen im Blendlicht eines Wolf-Rayet-Binärs | Ryan Lau | Stellarphysik | 6.5 |
| TEMPLATES: Extrem vergrößerte panchromatische Linsenbögen und ihre erweiterte Sternentstehung im Visier | Jane Rigby | Galaxien und das IGM | 26.0 |
| Kerndynamik eines nahe gelegenen Seyfert mit NIRSpec-Integralfeldspektroskopie | Misty Bentz | Massereiche Schwarze Löcher und ihre Galaxien | 1.5 |
| Das Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program | Natalie Batalha | Planeten und Planetenentstehung | 52.1 |
| ERS-Beobachtungen des Jovianischen Systems als Demonstration der Fähigkeiten von JWST für die Sonnensystemforschung | Imke de Pater | Sonnensystem | 9.3 |
| Hochkontrastabbildung von Exoplaneten und exoplanetaren Systemen mit JWST | Sasha Hinkley | Planeten und Planetenentstehung | 18.4 |
Allgemeines Beobachterprogramm
Für den GO-Zyklus 1 standen 6.000 Stunden Beobachtungszeit zur Verfügung, und es wurden 1.173 Vorschläge eingereicht, die insgesamt 24.500 Stunden Beobachtungszeit beantragten. Die Auswahl der GO-Programme des Zyklus 1 wurde am 30. März 2021 bekannt gegeben, wobei 266 Programme genehmigt wurden. Darunter sind 13 große Programme und Schatzprogramme, die Daten für den öffentlichen Zugang produzieren. ⓘ
Wissenschaftliche Ergebnisse
Die Veröffentlichung der ersten Farbbilder und spektroskopischen Daten erfolgte am 12. Juli 2022, was auch den offiziellen Beginn des allgemeinen wissenschaftlichen Betriebs von Webb markierte; Präsident Joe Biden enthüllte das erste Bild, Webb's First Deep Field, am 11. Juli 2022. Die NASA gab die Liste der Beobachtungen bekannt, die veröffentlicht werden sollen:
- Carina-Nebel - junge, sternbildende Region namens NGC 3324, die "Cosmic Cliffs" zeigt, etwa 8500 Lichtjahre von der Erde entfernt.
- WASP-96b - einschließlich einer Analyse der Atmosphäre mit Hinweisen auf Wasser um einen riesigen Gasplaneten, der einen 1120 Lichtjahre von der Erde entfernten Stern umkreist.
- Südlicher Ringnebel - Gas- und Staubwolken, die von einem sterbenden Stern in 2500 Lichtjahren Entfernung von der Erde ausgestoßen werden.
- Stephans Quintett - eine visuelle Darstellung von fünf Galaxien mit kollidierenden Gas- und Staubwolken, die neue Sterne erzeugen; vier zentrale Galaxien sind 290 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.
- SMACS J0723.3-7327 - eine gravitativ gelenkte Ansicht, die als Webb's First Deep Field bezeichnet wird und 4,6 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist, mit weit entfernten Galaxien in einer Entfernung von 13,1 Milliarden Lichtjahren. ⓘ
Am 14. Juli 2022 präsentierte die NASA Bilder von Jupiter und verwandten Gebieten, die das James-Webb-Weltraumteleskop zum ersten Mal aufgenommen hat, einschließlich Infrarotaufnahmen. ⓘ
Ein von Wissenschaftlern der NASA, der ESA und der CSA veröffentlichtes Papier über die wissenschaftliche Leistung seit der Inbetriebnahme beschreibt, dass "die wissenschaftliche Leistung von JWST fast durchweg besser ist als erwartet". Das Papier beschreibt eine Reihe von Beobachtungen während der Inbetriebnahme, bei denen die Instrumente Spektren von vorbeiziehenden Exoplaneten mit einer Genauigkeit von mehr als 1000 ppm pro Datenpunkt erfassten und sich bewegende Objekte mit einer Geschwindigkeit von bis zu 67 Millisekunden/Sekunde verfolgten, mehr als doppelt so schnell wie gefordert. Außerdem wurden die Spektren von Hunderten von Sternen gleichzeitig in einem dichten Feld in Richtung des galaktischen Zentrums erfasst. Andere Ziele, die in dem Papier beschrieben werden:
- Bewegliche Ziele: Jupiter (einschließlich Ringe und die Monde Europa, Thebe und Metis), Asteroiden 2516 Roman, 118 Peitho, 6481 Tenzing, 1773 Rumpelstilz, 216 Kleopatra, 2035 Stearns, 4015 Wilson-Harrington und 2004 JX20
- NIRCam Grism-Zeitreihen, NIRISS SOSS und NIRSpec BOTS-Modus: der Planet von der Größe des Jupiters HAT-P-14b
- NIRISS Apertur-Maskierungs-Interferometrie (AMI): Eindeutiger Nachweis des sehr massearmen Begleitsterns AB Doradus C, der einen Abstand von nur 0,3 Bogensekunden zum Hauptstern hatte. Diese Beobachtung war die erste Demonstration von AMI im Weltraum.
- MIRI-Spektroskopie mit niedriger Auflösung (LRS): ein heißer Super-Erde-Planet L168-9b (TOI-134) um einen hellen M-Zwergstern ⓘ
Galerie
- Erste Bilder des JWST - veröffentlicht am 12. Juli 2022
Kosmische Klippen des Carina-Nebels
Südlicher Ringnebel (NGC 3132; links: NIRCam; rechts: MIRI)
Stephans Quintett (NIRCam/MIRI-Komposit)
Stephans Fünflinge (NIRCam)
Stephans Fünfling (MIRI)
Spektrum von WASP-96b ⓘ
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- Bilder, die während der Inbetriebnahme aufgenommen wurden - veröffentlicht am 14. Juli 2022
Infrarotbild des Jupiters und seines Mondes Europa (NIRCam) ⓘ
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Aufbau
Das JWST besteht aus der Versorgungseinheit, dem Sonnenschild, dem Teleskop und mehreren Instrumenten. Zur Datenübertragung zwischen den Hauptkomponenten wird SpaceWire benutzt. ⓘ
Versorgungseinheit
Die Versorgungseinheit (offizielle Bezeichnung: Spacecraft Bus) stellt die Technik für die grundlegenden Funktionen für den Betrieb der Sonde bereit. Untergebracht ist sie in einer Box aus Kohlefaserverbundmaterial. Sie besitzt einen Adapterring, mit der das Teleskop auf der Trägerrakete befestigt wurde. Alle elektronischen Komponenten und stromführenden Teile sind gegen Weltraumstrahlung gehärtet und entsprechend gegen einschlagende Staubpartikel und geladene Teilchen geschirmt. ⓘ
Energieversorgung
Die Sonde verfügt über Solarmodule mit einer Leistung von 2000 W über die Missionszeit und Akkumulatoren zur Stromversorgung auf der heißen Seite. Dabei sind die Alterung der Solarzellen und mögliche sich akkumulierende Schäden durch Mikrometeoriten, sowie der Ausfall einzelner Zellen oder Stränge berücksichtigt. ⓘ
Lagekontrolle
Die Sonde ist dreiachsenstabilisiert und hat zur Lagekontrolle Sonnensensoren, drei Sternsensoren, Hemispherical-Resonator-Gyroskope, sechs Reaktionsräder und Steuerdüsen. Die Sternsensoren haben ein Gesichtsfeld von etwa 16° und einen 512 × 512-Pixel-Sensor. Sie sind im Winkel von 45° zur Teleskopachse und gegeneinander angeordnet. Die beobachteten Sterne mit einer Magnitude bis 6 werden mit einer gespeicherten Sternkarte verglichen und daran wird die Raumausrichtung in drei Achsen erkannt. Die Ausrichtung der Teleskopachse geschieht durch Ausrichtung der gesamten Sonde. Die Ausrichtung der Teleskopachse anhand der Lagekontrolle liegt dabei im Bereich von 8″, noch bevor ein Leitstern erfasst ist und die Feinregulierung eingesetzt wird. Die Feinregulierung, die über einen beweglichen Spiegel ermöglicht wird, ist ein Teil des Teleskops und der Instrumente und nicht Teil der Lagekontrolle. ⓘ
Kommunikationssystem
Zwei ungerichtete Rundstrahlantennen mit Halbkugelcharakteristik im S-Band für Telemetrie, Tracking und Kommandoübertragung dienen der Entfernungs- und Positionsbestimmung. Die Kommunikation über diese Antennen kann zu jeder beliebigen Zeit und in jeder Raumlage stattfinden, solange Sichtkontakt zu einer Bodenstation besteht. Die mögliche Datenrate reicht für einfache Steuerbefehle. ⓘ
Eine Antenne mit 20 cm Durchmesser, die in gleicher Richtung wie die Haupt-Parabolantenne montiert ist, dient der Datenübertragung mit bis zu 40 kbit/s im S-Band. Die Datenrate kann im Downlink (2,2…2,3 GHz, Sendeleistung 6 Watt) für Telemetrie zwischen 0,2 und 40 kbit/s und im Uplink (2,025…2,12 GHz) für Kommandos 2 bis 16 kbit/s betragen. Während der Einrichtzeit und in der Arbeitsphase wird das S-Band benutzt; es dient auch zur Notfallkommunikation. Im Gegensatz zum Ka-Band wird die Übertragung der Daten bei dieser Frequenz kaum durch schlechtes Wetter beeinflusst. ⓘ
Über eine bewegliche 60-cm-Parabolantenne zur Kommunikation im Ka-Band (26 GHz) erfolgt die Übertragung der Wissenschaftsdaten. Diese Antenne kann aus jeder Lage auch während der Beobachtungen in Richtung Erde gerichtet werden. Die Antenne muss ungefähr alle 2 Stunden und 45 Minuten neu ausgerichtet werden, somit ist dieses die maximale Integrationszeit für Beobachtungen während der Datenübertragung und für spezielle Aufgaben, die während der Beobachtungszeit eine gleichzeitige Datenübertragung benötigen. Die Übertragung ist wahlweise mit einer Datenrate von 7, 14 oder 28 Mbit/s möglich. Normalerweise wird die höchste Datenrate benutzt, sie kann aber reduziert werden, wenn schlechte Wetterbedingungen an der Empfangsstation herrschen. Es ist eine vierstündige Datenübertragungsphase alle zwölf Stunden vorgesehen. Jeder vierstündige Kontakt kann im Normalbetrieb mindestens 28,6 GB Daten übermitteln. Für den Downlink sind im regulären Betrieb die drei Antennenstationen des Deep Space Networks in Goldstone, Canberra und Madrid vorgesehen. ⓘ
Kontrollsystem
Das Kontrollsystem besteht aus dem Bordcomputer und einem Solid-State-Drive. Dieser Speicher hat eine Kapazität von 58,9 GB, ist ausgelegt für die in 24 Stunden anfallende Datenmenge und enthält sowohl die wissenschaftlichen Daten, als auch die Daten aus der Versorgungseinheit. ⓘ
Antrieb und Treibstofftanks
Die Antriebe sind an der Versorgungseinheit angebracht. Ihr Treibstoff ist für mindestens zehn Jahre Betrieb und das halbe Jahr Vorbereitungszeit ausgelegt. ⓘ
- Zwei Paare Secondary Combustion Augmented Thrusters (SCAT). Sie waren nach dem Start im Einsatz und dienen dem Einschwenken und der regelmäßigen Bahnkorrektur am L2-Punkt. Eines der Triebwerke in jedem Paar ist redundant. Die Triebwerke verwenden Hydrazin (N2H4) und Distickstofftetroxid (N2O4) als Oxidator. Zwei Heliumtanks setzen die Komponenten unter Druck.
- Acht Mono-propellant Rocket Engines (MRE-1) ermöglichen die Lagekontrolle und die Entsättigung der Reaktionsräder: Der Sonnenwind verursacht ein Drehmoment, weil der Schirm asymmetrisch zum Schwerpunkt ist, das durch die Trimmklappen und durch die Reaktionsräder kompensiert wird. Ab einer gewissen Drehzahl muss Treibstoff eingesetzt werden, um die Räder wieder abzubremsen. Diese Triebwerke verwenden nur Hydrazin als Treibstoff.
Die präzise Flugbahn der Sonde zum Zielgebiet sparte einen großen Teil des Treibstoffs, der nun für Kurskorrekturen in der Umlaufbahn um den Lagrange-Punkt zur Verfügung steht; die Funktionsdauer des Teleskops verdoppelt sich damit auf voraussichtlich 20 Jahre. Es gibt eine Vorrichtung zum Betanken des Teleskops vor dem Start. Diese Vorrichtung könnte mit einer Robotermission zum Nachfüllen der Treibstoffvorräte genutzt werden, es ist aber bisher keine solche Mission geplant. ⓘ
Wärmeregulierung
Die Versorgungseinheit mit dem Bordcomputer befindet sich auf der heißen Seite und wird bei einer Temperatur von ungefähr 300 K oder 27 °C betrieben. Zur Wärmeabführung gibt es Radiatoren. Der Hauptspiegel und die übrigen Spiegel sind gegen Wärmestrahlung abgeschirmt und passiv gekühlt. Die Instrumente der Nutzlast sind gegenüber der Versorgungseinheit thermisch isoliert und haben eine zusätzliche Kühlung und eigene Radiatoren auf der Rückseite des Hauptspiegels. ⓘ
Trivia
Am 18. Februar 2022 wurde das James-Webb-Weltraumteleskop aus 1,02 Millionen Kilometer Entfernung von der Raumsonde Gaia fotografiert, als es den Lagrangepunkt L2 erreicht hatte. ⓘ
Galerie
Modell der NIRSpec (NIR-Spektroskopie)
Zusammengefaltetes Teleskop
Reflektorbauteile bei einem kryotechnischen Test im Marshall Space Flight Center
Montierter Primärspiegel im Goddard Space Flight Center mit eingeklapptem Sekundärspiegel
Entladen des Spezialtransporters vom Schiff ⓘ
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ISIM-Modul (in dem sich die für Forschung wichtigen Instrumente befinden) bei einer Schwerkraft-Testung
Einzelner Spiegel/Optik
FGS-NIRISS-Instrument
Test der NIRCam. Im Bild sind Kollimationslinsen zu erkennen
Größenvergleich JWST und Hubble (Animation) ⓘ
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Vergleich von Details einer Nahinfarotaufnahme des JWST 2022 (links) und einer sichtbares Licht abbildende Hubble-Aufnahme veröffentlicht 2008 (rechts). ⓘ
Schema des JWST ⓘ
