Der Nachfolger des Hubble ist eine Zeitmaschine im Wert von 10 Milliarden US-Dollar

Menschen haben seit Jahrtausenden auf die Sterne geschaut, aber vor etwas mehr als 30 Jahren startete das Hubble-Weltraumteleskop, und wir begannen, einen wirklich guten Blick darauf zu werfen, was es da draußen gibt. Hubble war von mehr als einem Jahrzehnt an Rückschlägen heimgesuchtvor dem Start im Jahr 1990. Dann, kurz nachdem sie seine Position im Orbit der Erde eingenommen hatten, stellten Astronomen fest, dass etwas nicht stimmte. Es dauerte weitere drei Jahre, bis die Ingenieure einen Herstellungsfehler behoben hatten, durch den einer der Spiegel verformt war.ein Millionstel Meter. Letztendlich reichte diese Unvollkommenheit aus, um die Spiegel des Teleskops praktisch unbrauchbar zu machen. Das lange Warten hat sich jedoch gelohnt. Der Hubble aktivierte Dutzende Durchbrüche in der Astronomie. Es hat auch wunderschöne Bilder gemacht. Eine aktuelle Version seines berühmten "Hubble Deep Field" -Bildes enthält Galaxien, die 13 Milliarden Lichtjahre entfernt sind, was sie zu den am weitesten entfernten Objekten macht, die jemals fotografiert wurden.

Die NASA wird in Kürze den sogenannten „Nachfolger“ von Hubble auf den Markt bringen: das James Webb Space Telescope. Wie das Hubble ist auch das Webb-Teleskop darauf ausgelegt, außergewöhnlich genaue Messungen des „ultravioletten und sichtbaren Lichts, das vom allerersten emittiert wird“ durchzuführenleuchtende Objekte [und die] durch die kontinuierliche Expansion des Universums gestreckt oder 'rotverschoben' wurden und heute als Infrarotlicht ankommen."

Webb wird auch Objekte untersuchen, die näher an der Heimat liegen, wie Planeten und andere Körper in unserem Sonnensystem, um mehr über ihren Ursprung und ihre Entwicklung zu erfahren. Webb wird auch Exoplaneten beobachten, die sich in den bewohnbaren Zonen ihrer Sterne befinden, um nach Signaturen zu suchender Bewohnbarkeit und um mehr über ihre chemische Zusammensetzung zu erfahren.

In gewisser Weise teilen die Hubble- und Webb-Teleskope dieselbe allgemeine Mission. Webbs „wissenschaftliche Ziele wurden durch die Ergebnisse von Hubble motiviert“laut NASA. Erkenntnisse aus diesen Ergebnissen, kombiniert mit technologischen Innovationen, machen Webb zu einer ganz anderen Art von Teleskop. Das neue Instrument ist nicht nur größer und viel leistungsfähiger, sondern wird auch eine andere Umlaufbahn einnehmen und verschiedene Arten von Instrumenten verwenden, um verschiedene Arten zu erkennendes Lichts mit einigen Überschneidungen. Zusammen verleihen die Veränderungen Webb eine bemerkenswerte Fähigkeit – er sollte in der Lage sein, die Geburt von Galaxien in den frühen Tagen des Universums zu sehen.

Aber es gibt einen Haken: Wenn etwas schief geht, kann niemand helfen.

Baue eine bessere Zeitmaschine

Der Nachthimmel enthält die Geschichte des Universums. Das liegt daran, dass der Weltraum so groß ist, dass selbst Lichtwellen – das schnellste Ding im bekannten Universum – lange brauchen können, um ihr Ziel zu erreichen. Wenn ein Objekt in der Nähe ist, ein Beobachterauf der Erde wird es ungefähr so ​​sehen, wie es in diesem Moment aussieht. Unser Blick auf den Mond ist weniger als zwei Sekunden veraltet. Aber wenn wir über das Sonnensystem hinausblicken, ist unser Blick wie eine Zeitkapsel. Nehmen Sie den Big Dipper, zum Beispiel. Der nächste Stern im Sternbild verbindet die Tasse mit dem Griff. Im Moment sehen wir diesen Stern so, wie er vor 58 Jahren, 1963, aussah. Der am weitesten entfernte Stern befindet sich am Ende des Griffs, den wir als ihn sehenerschien vor 124 Jahren, im Jahr 1897. Das am weitesten entfernte und älteste Objekt, das mit bloßem Auge sichtbar ist, ist das kollektive Leuchten der etwa Billionen Sterne, aus denen das Andromeda-Galaxie, der nächste Nachbar der Milchstraße. Wenn ein außerirdischer Astronom irgendwo in dieser Galaxie gerade nach draußen gehen und ein extrem leistungsstarkes Teleskop benutzen würde, um zur Erde zu schauen, würden sie keine Beweise für moderne Menschen oder überhaupt einen Menschen sehen, übrigens. Das liegt daran, dass die Lichtwellen, die ihre Spiegel erreichen, die letzten 2,5 Millionen Jahre damit verbracht hätten, durch den Weltraum zu rasen.

Der Weltraum ist so riesig und so leer, dass einige Lichtwellen, die in den frühen Tagen des Universums zu wandern begannen, immer noch stark sind. Die am weitesten entfernten Galaxien in einem „Hubble Ultra Deep Field“ erscheinen so, wie sie erschienen wären vor mehr als 13 Milliarden Jahren als das Universum ungefähr 800 Millionen Jahre alt war. Wenn das Universum jetzt 40 Jahre alt wäre, kann Hubble Objekte so sehen, wie sie erschienen, als das Universum eins war.

Astrophysiker haben sehr unterschiedliche Theorien darüber, was während dieser 800 Millionen Jahre nach dem Urknall passiert ist, aber Hubble kann nicht so weit zurückblicken und kann daher keine Daten liefern, die ihnen helfen, die Verwirrung zu beseitigen. Das liegt daran, dass Hubbleerkennt Licht vom Ultravioletten über das Sichtbare das unsere Augen sehen und in den nahen Infrarotbereich. Das Licht dieser frühesten Galaxien begann wahrscheinlich bei diesen Wellenlängen. Aber während der vielen Milliarden von Jahren, die es durch den Weltraum reiste, wurden diese Lichtwellen verlängert und traten in einen Teil des elektromagnetischen Spektrums ein, den Hubble nicht sehen kann. Der Grundfür diese Verlängerung? „Die Raumzeit selbst dehnt sich aus“, als Notizen der University of Iowa. Wenn das Universum größer wird, wächst auch alles, was es enthält – einschließlich des Raums zwischen den Spitzen der Lichtwellen. Das Phänomen wird kosmologische Rotverschiebung genannt, weil Rot die längste Wellenlänge im sichtbaren Spektrum hat. Während Menschen Infrarotlicht nicht sehen können,wir können es als Hitze fühlen.Die Messung dieser "Streckung" oder des Energieverlusts ist eine der Hauptmethoden, mit denen die Entfernung jetzt im Universum gemessen wird.

Größer, stärker, weiter, kälter

Webbs Design unterscheidet sich deutlich von dem von Hubble, und diese Unterschiede machen es extrem leistungsfähig. Der leitende Projektwissenschaftler John Mather hat es so formuliert.Astronomie, „Wenn eine Hummel in der Entfernung vom Mond im Weltraum schwebt, könnte der Webb sowohl das von ihm reflektierte Sonnenlicht als auch die von ihm abgestrahlte Wärme sehen.“ Ein wesentlicher Unterschied ist der Hauptspiegel. Mit 6,5 Metern DurchmesserDer Spiegel von Webb hat mehr als sechsmal so viel Sammelfläche wie der von Hubble. Der Spiegel des neuen Teleskops ist mit Gold beschichtetweil es rotes Licht besser reflektiert als alternative Oberflächen. Es besteht aus 18 Sechsecken, die wie eine Wabe angeordnet sind, sodass es sich laut NASA in einer Rakete zusammenfalten kann. Es ist das größter Spiegel, der jemals ins All geflogen ist, und keine Rakete, die derzeit im Einsatz ist, hat genug Laderaum, um sie in einer vollständig entfalteten Konfiguration zu transportieren.

Sobald das Teleskop im Weltraum ist, wird es ungefähr drei Wochen damit verbringen, seine Sonnenblende und seinen Spiegel langsam auszufahren. Jedes der Sechsecke ist an einer Reihe von Aktuatoren montiert, die außergewöhnlich subtile Anpassungen an seinen individuellen Winkel und seine Position vornehmen können. Die gesamte Inbetriebnahmezeitdauert etwa sechs Monate und umfasst den Einsatz des Spiegels, das Abkühlen auf Betriebstemperatur, die Spiegelausrichtung und die Instrumentenkalibrierung.

Webb wird vier Instrumente haben, die das vom Spiegel gesammelte und fokussierte Licht analysieren. Drei von ihnen detektieren Licht mit einer Wellenlänge zwischen 0,6 und 5 Mikrometer, dem Nahinfrarot-Spektrum. Die Naht-Infrarot-Kamera NIRCam ist Webbs wichtigstes Bildgebungsgerät. Es ist mit einer Reihe von Koronagraphen ausgestattet, die dem Kamerabild helfen, Objekte zu verdunkeln, indem sie das Licht von helleren blockieren. Dank der Physik des nahen Infrarotlichts kann NIRCam sehendurch einige Partikel und enthüllen Objekte, die von Staubwolken verdeckt wurden.Naht-Infrarot-Spektrograph NIRSpec analysiert Licht, indem es es in seine einzelnen Farben zerlegt. Während Spektrographen keineswegs eine neue Technologie sind, verfügt NIRSpec über ein speziell entwickeltes „Mikroshutter-Array“, das es ermöglicht, bis zu 100 Objekte gleichzeitig zu analysierenNah-Infrarot spaltloser Spektrograph NIRISS ist ein spezielles Gerät, das besonders scharfe Bilder von sehr hellen Objekten aufnehmen soll. Es ist mit einer Blendenmaske ausgestattet, die es ermöglicht, Bilder von hellen Objekten mit einer höheren Auflösung als die anderen Imager aufzunehmen.

Das neue Teleskop verwendet seine Mittel-Infrarot-Instrument MIRI, um tief in die Vergangenheit des Universums zu blicken. MIRI wurde entwickelt, um Bilder und Spektrogramme von Licht im mittleren Infrarot zwischen 5 und 28 Mikrometern aufzunehmen. MIRI wird rotverschobenes Licht von Sternen sehen, während sie sich bilden,weit entfernte Galaxien und Objekte, die zu schwach sind, um sie mit anderen Instrumenten zu sehen.

Laut Forschern der University of Arizona die mit der NASA zusammenarbeiten, erste Durchmusterungen für die ersten Sterne, die sich in den ersten Galaxien gebildet haben – „das ‚erste Licht‘ im Universum“, wie sie es nennen – werden aus Durchmusterungen von NIRCam stammen. Diese Daten zeigen, ob aGalaxie hat früh in ihrem Leben Sterne gebildet, aber das Nahinfrarotspektrum enthält nicht die richtigen Daten, um zwischen den ersten Sternen und den auftauchenden Sternen zu unterscheiden. Dann kommt MIRI ins Spiel. Die Daten im rotverschobenen Licht machen den Unterschiedzwischen den ersten Sternen und dem Rest "für den MIRI eklatant offensichtlich", sagten die Forscher.

Ein Grund, warum ein Infrarot-Teleskop so nützlich ist, istdass praktisch alles im Universum Infrarotlicht aussendet. Das ist gut für Astronomen, weil es bedeutet, dass ein Objekt nicht hell brennen muss, um gesehen zu werden, aber es ist auch eine enorme Herausforderung, weil das Signal, nach dem Webb sucht, leicht von Wärme aus anderen Quellen übertönt werden kann. Deshalb ist esbesonders wichtig, dass Webb kalt bleibt. Dies ist seine erste Verteidigungslinie, seine Umlaufbahn. Anstatt den erdähnlichen Hubble zu umkreisen, wird Webb einen Punkt umkreisen. eine Million Meilen von der Erde entfernt, so weit wie möglich von der Sonne entfernt bleiben.

Webbs Umlaufbahn folgt einem speziellen Pfad um den zweiten Lagrange-Punkt, der ihn auf der Nachtseite der Erde hält und mit der Erde verfolgt, während er sich um die Sonne bewegt. Diese Umlaufbahn wird seine größten Quellen für nahegelegene Infrarotstrahlung behalten - die Sonne, die Erde undMond – auf derselben Seite und stellen Sie sicher, dass er sich aus den Schatten der Erde und des Mondes heraushält.Diese Umlaufbahn ermöglicht es Webb auch, ständig in die Sonne zu baden, um mithilfe einer Solaranlage auf der der Sonne zugewandten Seite des Raumfahrzeugs Strom zu erzeugen.

Während seiner Reise zu diesem Ort wird Webb auch einen Sonnenschutz von der Größe eines Tennisplatzes einsetzen, der die „kalte Seite“ des Instruments vor der Sonnenwärme schützen soll. Fünf Schichten eines Materials namens Kapton halten die Kälte abSeite so kalt wie 36 ° Kelvin -394 ° F. Das Hubble hingegen bleibt überraschend komfortabel 70 °Fahrenheit 21,1 °C.

Daumen gekreuzt

Webbs weit entfernte Umlaufbahn ist wichtig, um die Daten zu sammeln, die es braucht, um seine zu erreichen.wissenschaftliche Ziele, wie zum Beispiel die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien zu beobachten. Aber es hat seinen Preis. Wie Marina Koren geschriebenDer Atlantik, "Wenn etwas schief geht, können Ingenieure nur Befehle senden, keine Crew, die hilft." Astronauten haben den Hubble fünfmal für besucht.Reparaturen und Updates.

mit14 Jahre Verspätung bereits dahinter hatte Webb genauso viel Startschwierigkeiten wie sein Vorgänger. Der aktuelle Starttermin ist das Produkt neuerer Probleme, darunter ein „Vorfall“, der Schwingungen aussendete durch die gesamte Maschine und ein “Kommunikationsproblem zwischen dem Observatorium und dem Trägerraketensystem.“

Wenn alles nach Plan läuft, wird Webb die ersten sechs Monate damit verbringen, sich langsam zusammenzubauen und abzukühlen. Dann wird er seinen goldenen Wabenspiegel in den Weltraum richten, weg von Erde und Sonne, und beginnen, weit gereiste Lichtwellen zu erkennen, dieenthalten uralte Daten über die Geschichte des Universums, unter anderem. Forscher wissen, wonach sie suchen, aber sie wissen nicht, was sie finden werden. Das Hubble hat trotz seiner früheren Probleme viele unerwartete Entdeckungen gemacht,einschließlich Nachweis einer unerwartetes Element in einem alten Stern. Erst letztes Jahr verwendeten Forscher das Instrument, um eine der frühesten Galaxien zu untersuchen undnicht finde die Art von Sternen, die sie erwartet haben. Diese Ergebnisse legen nahe dass sich Galaxien viel früher gebildet haben müssen, als die Astronomen dachten, und auch viel früher als kann mit dem Hubble-Weltraumteleskop untersucht werden – aber nicht mit dem Webb.

Mit seinem gigantischen Spiegel und hochmodernen Instrumenten wird Webb „die Schatzkiste des herrlichen Infrarothimmels aufbrechen, der für das menschliche Auge unsichtbar ist“, schrieb Mather in der Astronomie Stück. „Wir wissen, wo wir suchen, wir können erraten, was wir finden, und es wird Überraschungen geben.“