JWST
Deutsches Know-how für Hubble-Nachfolger
Redaktion / MPG
astronews.com
6. Dezember 2005

2013 soll es soweit sein: Mit einer Ariane 5-Rakete wird der Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops zu seinem Einsatzort gebracht werden. Die Vorbereitungen für den Bau des Teleskops, das den Astronomen einen Blick auf das "erste Licht" im Universum erlauben soll, laufen auf Hochtouren - auch bei den Wissenschaftlern des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Astronomie.

Das "James Webb Space Telescope" ist wie Hubble ein europäisch-amerikanisches Projekt. Seine Leistungsfähigkeit wird die seines Vorgängers weit übertreffen. Bild: NASA

Carl Zeiss Optronics Oberkochen und das Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg (MPIA) entwickeln das feinmechanisch-optische Herzstück für zwei Instrumente des neuen James Webb Weltraum-Teleskops (JWST). Im Auftrag der Weltraumbehörden ESA und NASA wird das JWST mit einem 6,5-Meter-Spiegel als Nachfolger des legendären Weltraumteleskops Hubble in den kommenden acht Jahren Gestalt annehmen. Am 29. November wurden die Verträge zwischen Carl Zeiss und dem Max-Planck-Institut für Astronomie über die gemeinsame Arbeit an den Instrumenten MIRI und NIRSpec für das JWST unterzeichnet.

Das Weltraum-Teleskop James Webb wird das Weltraumteleskop Hubble im nächsten Jahrzehnt als erfolgreichstes astronomisches Beobachtungsinstrument ablösen. Das wichtigste wissenschaftliche Ziel dieser Mission ist die Entdeckung des "ersten Lichts" im frühen Universum, also der Entstehung der ersten Sterne aus dem langsam abkühlenden Feuerball des Urknalls.

Das Licht dieser ersten Sterne und Galaxien ist extrem in den roten Spektralbereich verschoben, weil es durch die laufende Ausdehnung des Universums um das etwa zwanzigfache in der Wellenlänge gedehnt ist. Deshalb kann das frühe Universum nur im infraroten Spektralbereich beobachtet werden. Hier würden die schwachen kosmischen Quellen durch die Infrarot- (Wärme-) Strahlung des Teleskops und der Instrumente überblendet. Um die winzigen Signale von dieser Störstrahlung zu befreien, muss das Teleskop tief gekühlt werden.

Das JWST wird daher im "Lagrange-Punkt L2" stationiert, der sich 1,5 Millionen Kilometer außerhalb der Erdbahn befindet. Weil sich dort die Anziehung von Sonne und Erde addieren, läuft das JWST synchron mit der Erde um die Sonne und ist stets von der Sonne abgewandt. Hier kühlen sich das Teleskop und die Instrumente durch den Blick in den kalten Kosmos auf -230 Grad Celsius ab.

Die extrem hohe Empfindlichkeit, kombiniert mit der hohen Auflösung des sehr großen Teleskops, wird auch zu ganz neuen Einsichten bei der Entstehung von Sternen und Planeten in unserem eigenen Milchstraßensystem führen. Diese Untersuchungen sind nur im infraroten Licht möglich, da dieses - anders als sichtbares Licht - die dichten Gas- und Staubwolken, in denen die Sterne und Planeten entstehen, fast ungeschwächt durchdringen kann.

Die Anforderungen an das Teleskop und seine Instrumente sind immens. Nach einer Startbelastung mit einem Vielfachen der Erdbeschleunigung werden die Instrumente im All bis nahe an den absoluten Temperatur-Nullpunkt (-273 Grad Celsius) gekühlt. Nach der Entfaltung des Teleskops am Zielort sollen dann die astronomischen Instrumente mit einer Genauigkeit ausgerichtet und festgehalten werden, die in etwa dem Zielen auf einen einem Stecknadelkopf in einem Kilometer Entfernung entspricht.

Zur Datenaufnahme wird die Weltraum-Sternwarte drei Instrumente an Bord haben - MIRI, NIRSpec und NIRCam. MIRI und NIRSpec werden in Europa entwickelt und gebaut. Carl Zeiss und das MPIA werden als einzige europäische Vertreter zu beiden Instrumenten einen entscheidenden Beitrag leisten. Für das MIRI-Instrument wird C. Zeiss an das MPIA die Filter- und Gitterwechsler-Mechanismen liefern, durch die das Instrument für verschiedene Beobachtungsarten präzise konfiguriert werden kann. Dazu leistet das MPIA selbst einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung und Test. Ferner wird C. Zeiss zwei Filter- und Gitterwechsler-Mechanismen für das NIRSpec-Instrument an EADS Astrium liefern. Hier wird das MPIA gleichermaßen sein Know-How einbringen. Beide Themen waren Gegenstand der Vertrags-Unterzeichnungen.

Aufgrund ähnlicher Anforderungen können die MIRI- und NIRSpec-Mechanismen als verwandt betrachtet werden. Entwicklung und Test der Mechanismen werden die kommenden zweieinhalb Jahre in Anspruch nehmen. Danach werden die von C. Zeiss und MPIA entwickelten Mechanismen in die jeweiligen Instrumente eingebaut. Eine europäische Ariane-5-Trägerrakete soll das JWST im Jahre 2013 an seinen Bestimmungsort auf der L2-Bahn bringen. Diese Vorhaben werden durch die Europäische Weltraum-Agentur ESA, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR und die Max-Planck-Gesellschaft gefördert.

Bereits in der Vergangenheit haben C. Zeiss und das Max-Planck-Institut für Astronomie erfolgreich an anspruchsvollen Instrumenten für den Einsatz im Weltraum zusammengearbeitet, so zum Beispiel bei der Entwicklung der Isophot-Mechanismen, welche wesentlich zum Erfolg des europäischen Infrarot-Weltraum-Observatoriums ISO beigetragen haben. In jüngster Zeit ist die Zusammenarbeit am PACS-Instrument des europäischen Weltraumobservatoriums Herschel, das im Jahre 2008 starten wird, hervorzuheben.

Im Laufe dieser Kooperationen gelang es sowohl C. Zeiss als auch dem MPIA ein hohes Maß an Vertrauen bei ihren internationalen Partnern zu erwerben. Beide Partner werden jetzt Neuland betreten. Die Heidelberger Astonomen wollen die Grenze des Dunklen Zeitalters des Universums erreichen, in dem es noch keine Sterne gab. Gemeinsam möchten sie optomechanische Systeme bisher unerreichter Qualität entwickeln, die den Erfolg der astronomischen "Flagschiff"-Mission JWST sichern, und die auch die Grundlage für hohe Wettbewerbsfähigkeit bei vielen denkbaren Anwendungen in der Zukunft bilden.