Das James Webb-Weltraumteleskop tritt in Zyklus 1 in eine neue Ära der universellen Infrarotbildgebung ein

Das erste Jahr im Orbit des James Webb-Weltraumteleskops beinhaltete einen sechsmonatigen Kalibrierungsprozess, einen spiegelbrechenden Mikrometeoriteneinschlag und Infrarotaufnahmen einer der frühesten jemals erfassten Galaxien, GLASS-z12, schätzungsweise 350 Millionen Jahre nach Beginn des Universums. Der bisherige Rekord für eine solche Beobachtung lag 400 Millionen Jahre nach dem Urknall für GN-z11, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop im Jahr 2016.

Webb nahm am 11. Juli den vollständigen wissenschaftlichen Betrieb auf, nachdem er neben anderen Inbetriebnahmeaktivitäten sechs Monate lang die Instrumente abgekühlt, kalibriert und gespiegelt hatte. Beamte der National Aeronautics and Space Administration (NASA) führten am 12. Juli eine öffentliche Enthüllung des ersten Bildes von JWST durch, „Webb's First Deep Field“, das den Galaxienhaufen SMACS 0723 zeigt, wie er vor 4,6 Milliarden Jahren erschien.

„Webbs erstes Deep Field“ ist laut NASA ein winziger Ausschnitt des expandierenden Universums, etwa so groß wie ein Sandkorn, das man auf Armeslänge ausstreckt. Es handelt sich um eine Zusammenstellung von Bildern, die im Laufe von 12,5 Stunden mit der Nahinfrarotkamera (NIRCam) von JWST bei verschiedenen Infrarotwellenlängen aufgenommen wurden. Im Vergleich dazu erforderte das ikonische Tieffeldbild des Hubble-Weltraumteleskops aus dem Jahr 1995 eine Gesamtbelichtungszeit von mehr als 100 Stunden, verteilt auf 10 Tage Belichtungszeit im Orbit.

Das Team aus mehr als 20.000 Ingenieuren, das Webb entwickelte, hatte ursprünglich eine Missionsdauer von 5 bis 10 Jahren vorgesehen. Nach einer einwandfreien Ablösung von Ariane 5 hat die NASA jedoch bestätigt, dass Webb genügend Treibstoff an Bord hat, um 20 Jahre im Orbit zu überleben.

Warum hat Webb seit seinem Start am 25. Dezember 2021 mehr als sechs Monate gebraucht, um im Juli den offiziellen wissenschaftlichen Betrieb aufzunehmen? Der Einsatz von JWST am zweiten Lagrange-Punkt (L2) – 1,5 Millionen Kilometer (km) von der Erde entfernt – dauerte einen Monat, wobei der Einsatz im Orbit 344 potenzielle Einzelpunktausfälle umfasste.

Die meisten dieser Fehler wurden innerhalb der ersten zwei Wochen nach dem Einsatz behoben, als die 18 einzelnen sechseckigen Segmente von Webbs vergoldetem Primärspiegel entfaltet wurden. Mithilfe der 155 Motoren, die an der Rückseite dieser Segmente angebracht waren, wurde der Spiegel so ausgerichtet, dass er nach außen in die frühesten Regionen des Universums blickte, getrennt durch Webbs Sonnenblende von der Seite des Teleskops, die dem Licht und der Wärme zugewandt ist, die von Sonne, Mond und Sonne erzeugt werden. Erde und andere Planeten im Sonnensystem.

Nach dem Entfaltungs- und Spiegelausrichtungsprozess konzentrierte sich das Team des Space Telescope Space Institute (STScI), das JWST betreibt, zwischen Januar und April darauf, die Infrarotinstrumente auf ihre Betriebstemperaturen abzukühlen. Dieser Zeitraum wurde auch genutzt, um die kollektive optische Bildqualität und Leistung der vier Infrarotinstrumente von Webb zu kalibrieren und zu bestätigen: der NIRCam, dem Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec), dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) und dem Fine Guidance Sensor/ Nahinfrarot-Imager und spaltloser Spektrograph (FGS/NIRISS).

MIRI benötigt die kälteste Betriebstemperatur der vier Instrumente, da es die Aufgabe hat, die dunkelsten und entferntesten Teile des Universums im mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich von 5000 bis 28000 nm zu beobachten. Nach Angaben der NASA erreichte die Mittelinfrarotkamera/Spektrograph am 7. April ihre endgültige Betriebstemperatur von 7 K (~ -447 °F, -230 °C).

Die Nahinfrarotinstrumente – NIRCam, NIRSpec, FGS/NIRISS – arbeiten bei einer wärmeren Temperatur von etwa 39 K (~ -389 °F, -234 °C), die durch ein passives Kühlsystem ermöglicht wird. Jedes der anderen drei Instrumente erreichte seine Zieltemperaturen einige Wochen bevor MIRI 7K erreichte.

Webb verfügt über insgesamt 17 Instrumentenmodi. Nach Abschluss des gesamten Inbetriebnahmeprozesses im Juli überprüfte das JWST-Team die von allen 17 Modi gesammelten Leistungsdaten anhand ihrer modusspezifischen Bereitschaftskriterien für die Leistung wissenschaftlicher Instrumente.

Dieser Prozess wurde am 10. Juli abgeschlossen. Das STScI-Team aktualisiert jedoch weiterhin die in JDox gesammelten Kalibrierungs-, Leistungs- und Auflösungsdaten – das Online-Benutzerdokumentationssystem von JWST, das alle benutzerbezogenen Aktualisierungen für jede Systemkomponente und Anwendung am Teleskop verfolgt. Basierend auf den endgültigen Inbetriebnahmedaten im JWST Science Performance-Bericht sind die Spiegel des JWST sauberer als ihre Anforderungen, die gesamte Optik ist besser ausgerichtet und das Feinleitsystem richtet das Observatorium „um ein Vielfaches genauer und präziser als erforderlich“ aus, heißt es in dem Bericht .

Lee Feinberg, Manager für optische Teleskope am Goddard Space Flight Center der NASA, war Teil des Inbetriebnahmeteams für optische Teleskopelemente (OTE). In einem veröffentlichten Artikel mit dem Titel „Commissioning the James Webb Space Telescope Optical Telescope Element“, den Feinberg während einer SPIE-Konferenz 2022 in Montreal vorstellte, bewerteten Feinberg und ein Forscherteam den Wellenfrontfehler jedes Kanals und stellten fest, dass das Teleskop beugungsbegrenzt ist 1,1 µm in NIRCAM, deutlich unter der Missionsbereitschaftsanforderung von Webb, bei 2 µm beugungsbegrenzt zu sein.

„Es variiert je nach Instrumentenkanal und um den Faktor 3 im MIRI-Kanal“, schreibt Feinberg in einer E-Mail-Erklärung, „aber ungefähr um den Faktor 2 im NIRCam-Kurzwellenlängenkanal, der der Haupttreiber für die Bildqualitätsanforderung der Stufe 1 ist.“ 79 nm RMS vs. 150 nm Anforderung).

Im Juni veröffentlichte die NASA ein Update über einen Mikrometeoriteneinschlag, der C3, eines der 18 einzelnen sechseckigen Segmente des Primärspiegels, erheblich beschädigte. Der Streik ereignete sich irgendwann zwischen dem 23. und 25. Mai.

Während JWST so konstruiert und entwickelt wurde, dass es Einschlägen von Mikrometeoroiden und anderen staubgroßen Partikeln standhält, die sich mit extremen Geschwindigkeiten in der Nähe seiner Umlaufbahn bewegen, war dieser Vorfall im Mai größer als alles, was sie vorhergesagt oder simuliert hatten.

Die kurz nach dem Einschlag durchgeführte Wellenfrontmessung bestätigte, dass die Leistung des Teleskops immer noch über seinen Bildgebungsanforderungen der Stufe 1 lag.

Eine weitere Analyse des Einschlags durch eine Arbeitsgruppe aus Optik- und Mikrometeoroid-Experten des Webb-Teams der NASA Goddard, des Spiegelherstellers des Teleskops, des STScI und des NASA Meteoroid Environment Office kam zu dem Schluss, dass der im Mai beobachtete Einschlag höherer Energie ein seltenes statistisches Ereignis war in Bezug auf Energie und beim Auftreffen auf eine besonders empfindliche Stelle auf Webbs Primärspiegel.

Basierend auf dieser Analyse entwickelte das Team einen neuen Ansatz zur künftigen Eindämmung solcher Angriffe, der in einem im November von der NASA veröffentlichten Update über den Angriff dargelegt wurde.

Zukünftige Beobachtungen mit JWST werden so geplant, dass sie von der von der Arbeitsgruppe entwickelten „Mikrometeoroid-Vermeidungszone“ (MAZ) abgewandt sind. Der neu entwickelte MAZ wird von STScI als ein Kegel mit einem bestimmten halben Winkel um die Orbitalbewegungsrichtung definiert, der auch als „Ram-Vektor“ bezeichnet wird. Ab Zyklus 2 – oder dem zweiten geplanten Jahr des wissenschaftlichen Betriebs für Webb – wird der Halbwinkel auf 75° festgelegt. Darüber hinaus hat Webb insgesamt 14 messbare Mikrometeoroid-Einschläge auf dem Primärspiegel erlebt und verzeichnet laut NASA durchschnittlich ein bis zwei solcher Einschläge pro Monat.

Die neue Strategie wird Webbs Spiegel, Kameras und Instrumente effektiv von der Richtung abwenden, in die er sich innerhalb seiner Umlaufbahn um L2 bewegt.

Obwohl dies nicht auf Mikrometeoriteneinschläge zurückzuführen ist, wurde einer der wissenschaftlichen Betriebsabläufe für MIRI auch durch Abnutzung im Orbit beeinträchtigt. Einer der Instrumentenmodi, der Medium Resolution Spectrometer (MRS)-Modus, für MIRI wurde zwischen August und November ausgeschaltet.

Die Begründung des JWST-Benutzerausschusses für die Pause lautete, dass das Gitterrad des MIRI-Spektrometers mit mittlerer Auflösung irgendwann, während Webb Anfang August im Orbit war, eine Änderung des Reibungsdrehmoments erfuhr.

Was verursachte die Änderung des Reibungsmoments am Reibrad? Laut der STScI-Erklärung, in der der Vorfall beschrieben wird, liegt die Hauptursache des beobachteten Problems in erhöhten Kontaktkräften zwischen den Unterkomponenten der Radzentrallagerbaugruppe unter bestimmten Bedingungen.

„Wir glauben, dass es sich um eine Kombination von Faktoren handelt, die mit den variablen Umgebungsbedingungen zusammenhängen, denen die Gitterradlager-Unterkomponenten beim Start und beim Abkühlen auf eine Temperatur von etwa 6 K ausgesetzt sind“, schreibt ein Vertreter von STScI in einer per E-Mail gesendeten Erklärung. „Einige Beobachtungen, die MIRI MRS verwenden und in den letzten zwei bis drei Monaten geplant waren, wurden auf eine zukünftige Gelegenheit verschoben. Die Hauptforscher dieser Programme wurden benachrichtigt und wir werden mit ihnen zusammenarbeiten, um ihre Beobachtungen neu zu planen.“

Welche tatsächlichen universellen Beobachtungen Webb im Orbit ausführt, wird auf der Grundlage der Zyklusnummer bestimmt, in der Webb arbeitet – derzeit der sechste Monat von Zyklus 1.

JWST-Beobachtungsprogramme im Orbit werden im Allgemeinen über einjährige Zyklen verteilt. STScI folgt immer noch dem Programmplan vor dem Start für Zyklus 1, Zyklus 2 und Zyklus 3. Der vom JWST-Benutzerausschuss festgelegte wissenschaftliche und Planungsplan schätzt, dass in jedem einjährigen Beobachtungszyklus 8.760 Stunden verfügbar sind.

Die Geometrie von Webbs Sonnenblende begrenzt den Bereich des Himmels, auf den die Spiegel und Instrumente zeigen können, und für wie lange. Abhängig von seiner Position im Orbit ist ein astronomisches Ziel laut STScI normalerweise während zwei Zeiträumen eines Kalenderjahres beobachtbar, die etwa sechs Monate voneinander entfernt sind. Diese Einschränkung wird durch die angestrebte ekliptische Breite und die Umlaufbahnposition von Webb bestimmt, die stets sicherstellt, dass die Sonnenblende das Teleskop und seine wissenschaftlichen Instrumente vor der Sonnenstrahlung schützt.

Die durchzuführenden Beobachtungen werden vom Time Allocation Committee des STScI ausgewählt und auf der Grundlage der spezifischen Fähigkeiten der einzelnen Instrumente zugewiesen.

Der Ausschuss erhielt insgesamt 1.173 Vorschläge für Zyklus 1.

JWST-Wissenschaftsmissionen oder -Operationen werden im Allgemeinen in drei verschiedene Kategorien unterteilt, darunter garantierte Zeitbeobachtungen (GTO), allgemeine Beobachtungen (GO) und diskretionäre Zeitprogramme des Direktors. Allgemeine Beobachtungsmissionen stehen im Allgemeinen der weltweiten wissenschaftlichen Gemeinschaft offen und nehmen in jedem Zyklus den Großteil der verfügbaren Stunden in Anspruch.

Vorschläge werden einmal im Jahr eingereicht und durchlaufen vor der Annahme ein wettbewerbsorientiertes Peer-Review-Verfahren.

Insgesamt wurden 6.000 Beobachtungsstunden ausgewählt und für Zyklus 1 zugewiesen, wobei der Großteil davon in die Kategorie „Allgemeine Beobachtung“ fiel.

Ein weiterer Schlüsselfaktor für die Auswahl wissenschaftlicher Untersuchungen durch Webb ist die Fähigkeit des Vorschlags oder der Untersuchung, die wichtigsten wissenschaftlichen Themen der Weltraumobservatoriumsmission anzusprechen.

Webbs Mission ist in vier wissenschaftliche Schlüsselthemen unterteilt, darunter die folgenden Bereiche: Erstes Licht und Reionisierung im Universum, Entstehung von Galaxien im frühen Universum, Geburt von Sternen und protoplanetaren Systemen sowie die Ursprünge des Lebens auf Planeten.

Einige der wichtigsten Grundsätze dieser wissenschaftlichen Ziele werden bereits in den seit Juli durchgeführten Beobachtungen angesprochen. Basierend auf der Aussage von Natalie M. Batalha, Professorin für Astronomie und Astrophysik an der UC Santa Cruz, vor dem Kongress im November, begründet Webb eine „neue Epoche der Exoplanetenwissenschaft“ und des Verständnisses darüber, wie die Erde und andere Planeten innerhalb und außerhalb des Sonnensystems funktionieren im Laufe der Zeit entwickelt.

Batalha ist einer der leitenden Forscher des Early Release Science Program (ERS-1366), an dem weltweit über 300 Wissenschaftler beteiligt sind. Das Programm startete 2016 als Open-Science-Initiative und zielt darauf ab, Webbs Beobachtungsmodi zu testen, die zur Durchführung von Transmissionsspektroskopie geeignet sind. Der Forscher der UC Santa Cruz beschreibt Transmissionsspektroskopie als das, was passiert, wenn Planeten ihren Heimatstern verdunkeln und ein Teil des Sternenlichts durch ihre Atmosphäre dringt.

Während das Sternenlicht durchdringt, blockiert der Planet abhängig von der Farbe bestimmter Moleküle in seiner Atmosphäre unterschiedliche Anteile des Lichts. In der Vergangenheit beschränkte sich die Untersuchung von Planetenatmosphären mittels Transmissionsspektroskopie durch andere Observatorien wie Kepler und TESS auf die Beobachtung von Masseneigenschaften des Planeten wie der Gesamtmasse, dem Radius oder der Krümmung des Planeten. Diese Einschränkung ist das Ergebnis der von Kepler und TESS durchgeführten Transmissionsspektroskopie in weißem Licht.

Webbs Infrarotinstrumente, Spektrographen und Koronographen beobachten Transite von Exoplaneten außerhalb des Sonnensystems in Hunderten von Infrarotfarben gleichzeitig. Spektrometer an jedem der IR-Instrumente von Webb messen die Lichtmenge, die bei jeder beobachteten Infrarotfarbe blockiert wird. Dadurch können Experten wie Batalha anhand der fehlenden Farben herausfinden, welche atomaren Elemente und Moleküle in der Atmosphäre des Planeten vorhanden sind.

Laut ihrer Aussage hat JWST diese Methode bereits mit einem atmosphärischen Spektrum verwendet, das mit NIRSpec PRISM von WASP-39-b erstellt wurde, einem sonnenähnlichen Stern, der sich „ungefähr 700 Lichtjahre entfernt im Sternbild Jungfrau“ befindet. Die Masse von WASP-39b ähnelt der von Saturn und seine Abmessungen sind 30 Prozent größer als die von Jupiter. Mithilfe der NIRSpec-gestützten Transmissionsspektroskopie entdeckte das ERS-1366-Team den ersten „robusten Nachweis von CO2 in der Atmosphäre eines Exoplaneten“.

In der Atmosphäre wurden auch Hinweise auf mehrere andere chemische Spezies entdeckt, darunter vier unabhängige Wasser (H2O)-Elemente, Kohlendioxid (CO2) und Kohlenmonoxid (CO).

Allein während Zyklus 1 werden mehr als 70 vorbeiziehende Exoplaneten beobachtet, deren Atmosphären ähnlich wie bei WASP-39-b untersucht werden. Laut Batalha könnten während Webbs gesamtem Lebenszyklus im Orbit Hunderte weitere beobachtet werden, was die Grundlage für die Identifizierung bewohnbarer Umgebungen und sogar lebender Welten in der Zukunft bilden würde.

Eine weitere bahnbrechende Entdeckung, die während der Anhörung vor dem Kongress im November vorgestellt wurde, stammte aus dem Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS). Durch die Kombination der Fähigkeiten von NIRCam und MIRI zielt CEERS auf die Infrarotbildgebung des frühesten und dunkelsten Teils des Universums ab. CEERS ist ein Forschungsprogramm, das auf das erste von Webbs vier wissenschaftlichen Zielen ausgerichtet ist: „Erstes Licht im Universum“.

Dr. Steven Finkelstein, Professor für Astronomie an der University of Texas in Austin, stellte den Gesetzgebern Forschungsergebnisse vor, die in den ersten fünf Monaten der weltraumwissenschaftlichen Aktivitäten von Webb vom CEERS gesammelt wurden. Finkelstein beschreibt „Rotverschiebung“ als das universelle Phänomen der fortwährenden Bewegung von Galaxien voneinander weg. Diese ständige Bewegung bedeutet, dass die Lichtwellen, die von den von Webb beobachteten zurückweichenden Galaxien erzeugt werden, rötlicher – oder stärker „rotverschoben“ – sind als bei der ersten Emission der Wellen.

Eine der ersten Webb-Entdeckungen, die Finkelstein präsentierte, ist „Maisies Galaxie“, die eine Rotverschiebung von 12 aufweist, die es Finkelstein und anderen ermöglicht, sie laut Finkelsteins Aussage auf „über 97 Prozent der Zeit zurück in unserer kosmischen Geschichte“ zu lokalisieren.

Am 15. November eröffnete STScI seine Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen für die Zeit als General Observer für Zyklus 2. Im zweiten Zyklus stehen bis zu 5.000 GO-Stunden zur Verfügung, wobei das Team Vorschläge bis zum 27. Januar 2023 einreichen muss. Die Teleskopzuteilung für Zyklus 2 Das Komitee plant, die für Zyklus 2 ausgewählten GO-Operationen im Mai 2023 bekannt zu geben.

Die geplanten Daten für die Beobachtungen des Zyklus 2 sind der 1. Juli 2023 – 30. Juni 2024.

Dieser Artikel wurde von Woodrow Bellamy III, Herausgeber, Photonics & Imaging Technology, SAE Media Group (New York, NY) verfasst.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Januarausgabe 2023 des Photonics & Imaging Technology Magazine.

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