Zwanzig Jahre Ärger über technische Probleme und ausufernde Kosten sind vergessen. Seit dem Bilderbuchstart an Weihnachten und dem glücklichen Auffalten eine Woche später macht das James Webb Space Telescope (JWST) seinen Erbauern und der gesamten Astronomengemeinde nur noch Freude. Nach Erreichen des Zielorbits um die Sonne in 1,5 Millionen Kilometer Entfernung, dem Justieren der achtzehn Spiegelsegmente, dem Herunterkühlen sowie der Inbetriebnahme der fünf Instrumente hatte das Teleskop erste Testbilder geschickt, die besser nicht sein konnten. Heute wurden die ersten wissenschaftlichen Aufnahmen veröffentlicht. 

Das heißt, eine bekam die Welt bereits vergangene Nacht mitteleuropäischer Zeit zu sehen. Joe Biden, der Präsident der Vereinigten Staaten selbst, und seine Vizepräsidentin Kamala Harris hatten zusammen mit dem Leiter der NASA am Montagabend Ortszeit im Weißen Haus das erste der fünf Bilder vorgestellt. Die USA tragen den größten Teil der Kosten von zehn Milliarden Dollar. Weitere Partner sind die europäische Raumfahrtorganisation ESA sowie Wissenschaftler in Europa, die eines der wissenschaftlichen Instrumente allein und ein anderes in Zusammenarbeit mit Amerikanern entwickelt und gebaut haben. Dritter im Bunde ist Kanada, von wo ein weiteres Instrument sowie eine Sternsensor-Kamera für die präzise Lageregelung kommen.

Damit hat das JWST vier Infrarot-Messinstrumente an Bord, mit denen Daten in verschiedenen Wellenlängenbereichen mit unterschiedlicher spektraler Auflösung aufgenommen werden. Nachdem die NASA Ende April eine erfolgreiche Ausrichtung der Primärspiegelsegmente für alle vier Instrumente bestätigen konnte, waren zwei weitere Monate investiert worden, um die wissenschaftlichen Instrumente in Betrieb zu nehmen und ihre Funktionsfähigkeit ausgiebig zu testen und zu optimieren. Von den fünf nun veröffentlichten Bildern demonstriert jedes die Leistungsfähigkeit des neuen Teleskops in einem anderen astrophysikalischen Themenbereich. Die Beobachtungen, zu denen das JWST nun imstande ist, betreffen dabei alle kosmischen Skalen: in unserem eigenen Sonnensystem, beim Verständnis fremder Sterne und Planeten in der Milchstraße sowie dem interstellaren Medium dazwischen. Dann wird es um fremde Galaxien und deren zentrale schwarze Löcher gehen, um das intergalaktische Medium und die ganz großen Materiestrukturen im Universum.

Das Potential, das im JWST als Infrarotteleskop steckt, gründet sich zum einen darauf, dass Strahlung aus der Frühzeit des Universums, bevor sie bei uns ankommt, durch die kosmische Expansion zu längeren Wellenlängen verschoben wird. Das Licht der ersten Sterne und Galaxien, das 200 Millionen Jahre nach dem Urknall im optischen und ultravioletten Bereich des Spektrums ausgesendet wurde, erreicht uns daher heute im Infraroten. Die Hoffnung der Astronomen ist, dass James Webb dabei helfen wird, den Zeitpunkt einzugrenzen, an dem die energiereiche Strahlung der ersten Sterne den Kosmos aufhellte und den größten Teil des vorhandenen Wasserstoffgases in Protonen und Elektronen trennte – die sogenannte Epoche der Reionisation. Das erste in der Nacht auf den 12. Juli von Präsident Biden präsentierte Bild des Galaxienhaufens SMACS 0723 zeigt, wie viel hier von Webb tatsächlich zu erwarten ist: „Webb’s First Deep Field“ ist das tiefste und schärfste Infrarotbild des fernen Universums.

Auch die spätere Entwicklung der Galaxien wird das JWST beobachten können und damit hoffentlich die Frage beantworten, wie die frühen, kleinen und oft klumpigen Sternwolken zu den spiralförmigen und elliptischen Sternwolken wurden, die wir heute aus unserer näheren kosmischen Umgebung kennen. Dabei wird auch der Einfluss Dunkler Materie studiert werden können. Eine wichtige Rolle spielen hier Kollisionen und Verschmelzungen von Galaxien. Webbs Bild von Stephans Quintett, einer Gruppe von fünf wechselwirkenden Galaxien, liefert hier ein eindrucksvolles Beispiel.

Eine andere wichtige Eigenschaft der Infrarotstrahlung ist, dass sie in der Lage ist, kosmische Staubwolken zu durchdringen. Das ist entscheidend, wenn es darum geht, sehr junge Sterne zu beobachten, die in dichten und staubigen Gaswolken gebildet werden und damit im Optischen unsichtbar sind. Zu den Details ihrer Entstehung gibt es noch viele offene Fragen – deren Beantwortung deshalb wichtig ist, weil sie Grundlage für das Verständnis des gesamten Lebensweges der Sterne ist. Die Geburt zahlreicher massereicher Sterne ist im rund 7600 Lichtjahre entfernten Carinanebel zu beobachten, den James Webb in farbenfroher Schönheit abgelichtet hat. Wie das Leben mancher Sterne endet, hat Webb ebenfalls schon aufgenommen. Der von Webb beobachtete südliche Ringnebel besteht aus der sich ausbreitenden Gashülle eines sterbenden Sterns.

Und schließlich ruhen auf dem JWST Hoffnungen auf neue Erkenntnisse über Exoplaneten. Tausende sind mittlerweile bekannt, aber die Frage nach den Bedingungen auf deren Oberflächen und damit nach deren potentieller Lebensfreundlichkeit erfordert Daten über ihre Atmosphären. Die dort vorhandenen Moleküle hinterlassen charakteristische Spuren im Infraroten. Es könnte also sein, dass James Webb die Suche nach fremdem Leben im All ein Stück voranbringen wird. Dass es dazu die technischen Möglichkeiten besitzt, zeigt das Spektrum des fast 1150 Lichtjahre entfernten Gasplaneten WASP-96b.

Spektrum vom Planeten WASP-96b

Die Suche nach fremden erdähnlichen Planeten und die Frage nach den dort herrschenden Bedingungen regen unsere Phantasie an wie kaum ein anderes astronomisches Projekt. Mehr als 5000 Exoplaneten kennen wir bereits. Einige davon könnten als Gesteinsplaneten in einem wohltemperierten Abstand von ihrem Heimatstern die richtigen Voraussetzungen für die Entstehung von Leben bieten. Die Entscheidung darüber ist bislang aber noch mit großer Unsicherheit behaftet – denn solange wir nicht wissen, von welcher Atmosphäre ein Exoplanet umgeben ist, können wir über die Temperatur auf seiner Oberfläche kaum etwas sagen. James Webb soll hier entscheidend weiterhelfen – obwohl das Thema ursprünglich gar nicht auf dessen Agenda stand, gehört es heute zu den Kernthemen des JWST.

Das Spektrum des fast 1150 Lichtjahre entfernten Gasplaneten WASP-96b im Sternbild Phönix des Südhimmels gibt einen ersten Eindruck von den Möglichkeiten, die Webb bieten wird. 2014 wurde er entdeckt, seine Masse ist etwa halb so groß wie die des Jupiters, während sein Radius dem 1,2-Fachen des Jupiters entspricht. Alle 3,4 Tage umrundet er seinen Heimatstern und fällt damit in die Kategorie eines „heißen Jupiters“. 2018 gaben Astronomen bekannt, Hinweise auf Natrium in seiner Atmosphäre gefunden zu haben – was wiederum Anzeichen dafür ist, dass der Planet keine Wolken besitzt, denn diese würden den Blick auf die spektralen Spuren des Natriums verdecken. Wenn die Atmosphäre aber wolkenfrei ist, sollte man auch noch andere Moleküle wie Kohlendioxid oder Wasser sehen können.

Diese Vermutung konnte Webb nun bestätigen. Das mit dem NIRISS-Spektrographen aufgenommene Spektrum im Nahinfraroten zeigt Signaturen von Wasserdampf. Deren Stärke ist allerdings schwächer als ursprünglich erwartet. Das Abfallen des Spektrums bei kurzen Wellenlägen könnte auf die Existenz von Nebel hinweisen. Die Temperatur der Atmosphäre schätzen die Astronomen auf der Grundlage des Spektrums auf 725 Grad Celsius.

Südlicher Ringnebel

Das optische Bild dieses Nebels erinnert sehr an Messier 57, genannt Ringnebel in der Leier, ein beliebtes Ziel von auf der Nordhemisphäre beheimateten Hobbyastronomen, die ihn bereits mit einem guten Fernglas zwischen den beiden hellen Sternen Gamma und Beta Lyrae finden könnten. Der Südliche Ringnebel nun, Astronomen auch als NGC 3132 bekannt, befindet sich im Sternbild Vela, dem Segel, und wurde daher erst 1835 und damit 56 Jahre nach seinem berühmten nördlichen Artgenossen entdeckt, obgleich er mit etwa 2000 Lichtjahren der Erde etwas näher ist als dieser, mit einem halben Lichtjahr Ausdehnung allerdings auch etwa nur halb so groß. „Artgenosse“ ist hier kein völlig falscher Ausdruck, denn in beiden Fällen handelt es sich um „planetarische Nebel“. Sie haben allerdings nichts mit Planeten zu tun – solche Objekte sind sehr viel ausgedehnter als Planetensysteme –, sondern um die abgestoßenen Gashülle eines frisch erloschenen Sterns. Der heiße, aber nun (sehr) langsam auskühlende Rest, ein sogenannter Weißer Zwerg, ist im Zentrum zu erkennen. Sein UV-Licht regt die davonwehenden Gasschwaden zum Leuchten an. 

Die JWST-Aufnahme des südlichen Ringnebels im nahen Infrarot macht nun neue Strukturen sichtbar, wie die schaumige Struktur der in Orange leuchtenden Hülle aus molekularem Wasserstoff, der sich während der Expansion neu gebildet hat. Das Blau weiter innen stammt von ionisierten Atomen schwerere Elemente. Der fast waagrechte Strich im linken Teil der Ringwolke stellte sich übrigens als eine Spiralgalaxie im Hintergrund heraus, eine Sterneninsel nicht unähnlich unserer Milchstraße, der wir fast genau auf die Kante sehen. Zusätzlich hat JWST von demselben Objekt mit dem Instrument MIRI, eine europäisch-amerikanische Koproduktion, eine Aufnahme im langwelligeren mittleren Infrarot gemacht, auf dem sich beide Sterne des Doppelsternsystems, dessen Teil der Weiße Zwerg ist, deutlich von seinem Partner unterscheiden ließ.

Stephan’s Quintett

Im Jahr 1877 entdeckte der französische Astronom Édouard Stephan im Sternbild Pegasus fünf Galaxien – vier spiralförmige und eine elliptische – sehr eng beieinander. Es handelt sich damit um die erste kompakte Galaxiengruppe, von der die Astronomie Kenntnis erhielt. Allerdings ist diese rund 290 Millionen Lichtjahre entfernte Gruppe in Wahrheit ein Quartett, denn eine in dem Bild – der große Spiralnebel links hat mit den anderen vier eigentlich gar nichts zu tun, sondern befindet sich im Vordergrund und steht einfach im Bild. Die anderen vier aber beeinflussen sich mit ihren Gravitationsfeldern, tanzen umeinander und biegen sich dabei, soweit vorhanden, die Spiralarme auf. In einigen Milliarden Jahren werden sie vermutlich alle zu einer einzigen großen elliptischen Galaxie verschmelzen. Schon jetzt aber haben die Astronomen Hinweise auf Schockwellen beobachtet, wo die Interstellaren Gaswolken der Sterneninseln in Berührung gekommen sind.

Mit den Infrarotinstrumenten des James Webb Telescope lassen sich solche Interaktionen zwischen Galaxien nun im großen Detail untersuchen, etwa wo durch die Kollision die Sternentstehung angeregt wird und wie die Gas- und Staubmassen dabei gestört werden. Zudem lassen sich nun auch in weit entfernten Galaxien die verschiedenen Populationen von Sternen erfassen. 

Carinanebel

Wahrscheinlich wäre der Carinanebel ähnlich bekannt wie der Orionnebel – würde er sich statt am Süd- am Nordhimmel befinden. Schließlich ist der Emissionsnebel im Sternbild Carina, dem Schiffskiel, sogar heller und mit einem Durchmesser von rund 300 Lichtjahren größer als sein nördlicher Verwandter. Mitte des achtzehnten Jahrhunderts wurde er vom Kap der guten Hoffnung aus durch Nicolas Louis de Lacaille entdeckt. Heute ist er als eine der größten Sternentstehungsregionen bekannt. In rund 7600 Lichtjahren Entfernung bilden sich dort Sterne, die sehr viel massereicher als unsere Sonne sind und ein wildes und kurzes Leben führen: Ihre gewaltigen Winde und ihre energiereiche Strahlung zerreißen die Wolken aus Gas und Staub, aus denen sie entstanden sind, und lassen sie gleichzeitig in prächtigen Farben leuchten. Seit rund drei Milliarden Jahren ist dieser kosmische Kreislauf dort schon im Gange, und eine zweite Sternengeneration folgt bereits der ersten.

Dazu, wie genau die Strahlung und die Winde der Sterne auf ihre Umgebung wirken, dort das Gas und den Staub nicht nur in Bewegung versetzen, sondern auch chemisch verändern, gibt es noch viele offene Fragen. Diese sind aber zu beantworten, wenn es darum geht, die Entstehung von Sternen und Planetensystemen zu verstehen. Webb liefert hier mit seiner NIRCam einen Blick auf den Rand der Sternentstehungsregion NGC 3324.

Webbs erstes „Deep Field“

Im Jahre 1995 beeindruckte das Hubble Space Telescope mit einem über zehn Tage lang belichteten Bild eines scheinbar fast sternenfreien Fleckens Himmels im Sternbild Großer Bär, genannt „Hubble Deep Field“. Wo vorher so gut wie nichts zu sehen war – weil es in dieser Richtung kaum Sterne unserer Galaxie gibt –, tauchten nun dank der besonderen Vorzüge eines Weltraumteleskops fast dreitausend neue Objekte auf. Jede davon war eine eigene Galaxie mit jeweils Hunderten von Milliarden Sternen.

Das jetzt veröffentlichte Bild, das bereits am Abend des 11. Juli um 18 Uhr Ortszeit vom Präsidenten der Vereinigten Staaten in Washington vorgestellt wurde, ist das erste Deep Field des James Webb Telescope. Es zeigt die zwölfeinhalbstündige Belichtung eines winzigen Ausschnittes des Firmaments in dem Sternbild Fliegender Fisch (Volans) am Südhimmel durch die amerikanische Infrarotkamera NIRCam. Darauf zu sehen sind auch hier nur einige wenige Vordergrundsterne, die zu unserer Galaxie gehören – erkennbar an den acht Strahlen, die durch Beugungseffekte an Strukturkomponenten des Spiegelteleskops zustande kommen. Die anderen, linsen- bis fleckenförmigen Gebilde sind Galaxien. Insbesondere die rötlichen unter ihnen sind weit entfernt – zum Teil sehr weit.

Denn schon die weißen Galaxien im Zentrum sind derart weit weg, dass ihr Licht zu uns so lange unterwegs war, wie seit Entstehung der Erde vergangen ist: 4,6 Milliarden Jahre. Sie gehören zu einem Galaxienhaufen namens SMAC 0723. Seine hauptsächlich aus Dunkler Materie bestehende Masse verzerrt und vergrößert durch seine Schwerkraft die Objekte im Hintergrund. So manche der kleineren dieser Flecken sind auf ihrem Weg durch das expandierende Universum derart weit rotverschoben, dass sie nur noch im Infraroten zu sehen sind, das Webb beobachten kann. Es sind Galaxien, die noch nie ein Mensch zuvor gesehen hat.