Das James Webb Space Telescope (JWST) ist das mit Spannung erwartete, lang erwartete Teleskop der „nächsten Generation“. Geplanter Start für 2013, Oktober 2018, Herbst 2021, JWST wurde als Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops angepriesen. Damit hoffen Astronomen, in die Zeit zurück zu blicken, als das Universum gerade einmal 200 Millionen Jahre alt war, und die ersten Sterne und Galaxien zu sehen. Der leitende Wissenschaftler, der dieses Projekt leitet, ist Dr. John Mather, Mitträger des Physik-Nobelpreises 2006 für seine Arbeit mit dem Cosmic Background Explorer (COBE), der die Schwarzkörperform und die Anisotropie des kosmischen Mikrowellenhintergrunds maß.
Wir fühlten uns verständlicherweise geehrt, als Dr. Mather Universe Today kontaktierte und sagte, er wolle mit uns über den Status von JWST sprechen. „Ich dachte mir, es ist vielleicht an der Zeit, darüber zu sprechen, was wir tun“, sagte er, „weil aufregende Dinge passieren.“
Dr. John Mather. Kredit: (NASA/Bill Ingalls)
Universum heute:Dr. Mather, seit über einem Jahrzehnt hören wir vom Weltraumteleskop der nächsten Generation, das später offiziell als James Webb-Weltraumteleskop bezeichnet wurde. Können Sie uns erzählen, wie das Konzept für dieses Teleskop begann?
Johannes Mather:1989, noch vor dem Start des Hubble, fand eine Konferenz darüber statt, was das nächste Weltraumteleskop sein sollte. Sie diskutierten über die großen Teleskope der Zukunft und veröffentlichten aus dem Bericht ein Buch. Aber sie hielten Infrarot nicht wirklich für die große Welle der Zukunft. 1993 gab es dann ein Komitee namens HST and Beyond. Sie veröffentlichten 1996 einen schönen kleinen Bericht, der besagte, dass es zwei wichtige Dinge zu tun gab. Die eine bestand darin, ein Infrarot-Teleskop zu bauen, im Gegensatz zu dem, was im vorherigen Buch gesagt wurde, und die andere bestand darin, ein Teleskop zu bauen, um nach erdähnlichen Planeten zu suchen. Zu diesem Zeitpunkt erkannten Astronomen gerade, dass die Suche nach extrasolaren Planeten möglich war. Im Oktober 1995 rief mich das Hauptquartier der NASA an, gab mir eine Liste mit Wissenschaftlern und Ingenieuren, die ich kontaktieren sollte, und sagte, ich solle mit der Planung beginnen. Das taten wir und kamen sofort zu einer bemerkenswerten Übereinstimmung von Denken und Meinung. Wir einigten uns schnell auf ein Konzept, das den Wünschen der wissenschaftlichen Gemeinschaft und den Ambitionen der NASA entsprach. Sie werden feststellen, dass das Teleskop, das wir damals fliegen wollten, demjenigen sehr ähnlich ist, das wir 2013 fliegen werden.
AUS:Können Sie uns über den aktuellen Stand des JWST informieren?
Mather:Die Fluginstrumenten-Hardware kommt im Sommer 2010 aus aller Welt. Der Feinsteuerungssensor kommt aus Kanada, eineinhalb Instrumentenpakete kommen aus Europa und der Rest kommt aus den USA. In 18 Monaten geht das Instrumentenpaket also zusammen und trifft dann etwa ein Jahr später auf das Teleskop. Die vier wissenschaftlichen Instrumente sind eine Nahinfrarotkamera, ein Nahinfrarot-Multiobjekt-Spektrograph, ein Mittelinfrarot-Instrument und ein abstimmbarer Filter-Imager.
Wir haben gerade den Critical Design Review für das Instrumentenmodul durchgegangen. Letzte Woche kamen Hunderte von Leuten, um sich alles anzusehen und uns zu sagen, ob wir es richtig machen. Ich glaube, wir haben bestanden, obwohl ich die offiziellen Papiere noch nicht gesehen habe. Aber selbst ich war beeindruckt.
AUS:Die Frage, die mir viele Leute stellen, ist, warum das JWST kein optisches Teleskop sein wird, da Hubble so erfolgreich war?
Mather:Warum wechselte der Ausschuss von optisch zu Infrarot? Es war zweitrangig. Einer war, dass Hubble so gut wurde, dass sie sahen, dass es schwer sein würde, es zu übertreffen, egal wie groß man ein Teleskop baute. Eine andere Sache war, dass die Leute sahen, dass man große optische Teleskope auf dem Boden bauen konnte. Das Keck-Teleskop funktionierte wirklich gut, und die Leute begannen, über adaptive Optik zu sprechen, was bedeutete, dass sich noch größere Teleskope am Boden lohnen. Diese beiden Dinge wiesen uns also auf ein Infrarot-Teleskop hin. Auch alle Wissenschaftler des JWST sagten, wir brauchen Infrarot. Von den wenigen Möglichkeiten, die wir zu dieser Zeit hatten, war Infrarot faszinierend, da wir herausfanden, dass das am weitesten entfernte Universum aufregend ist und gegenüber dem Sichtbaren rotverschoben ist. Es beginnt im Ultraviolett und geht aufgrund der großen Entfernungen dieser Objekte und der großen Rotverschiebung, die sie haben, ins Infrarote über. Wenn Sie also Ultraviolett-Astronomie am Rande des Universums betreiben möchten, benötigen Sie ein Infrarot-Teleskop.
Ein maßstabsgetreues Modell des JWST. Bildnachweis: NASA
AUS:Hat das jetzt, wo das Infrarot-Spitzer-Weltraumteleskop so gut läuft und läuft, irgendjemand geändert, oder bringt das die Wissenschaftler dazu, mit Infrarot auf die nächste Stufe zu gehen?
Mather:Ja, Spitzer hat bewiesen, dass dies tatsächlich ein faszinierendes Gebiet ist. Spitzer ist nach modernen Maßstäben eigentlich ein kleines Teleskop; es ist nur 3 Fuß breit, 85 cm. Aber es hat einige erstaunliche Überraschungen hervorgebracht. Sie können Dinge bis zu sehr, sehr hohen Rotverschiebungen erkennen, und nichts davon wurde erwartet. Das sagt uns also, dass Infrarot der Ort ist, an dem die wunderbaren Entdeckungen sein werden. Wir wissen jetzt, dass wir die Technologie können, also lass uns ein besseres Teleskop besorgen. Die Wissenschaft ist sehr aufregend und es gibt so viel da draußen, das darauf wartet, entdeckt zu werden.
AUS:Was wird Ihrer Meinung nach das JWST von früheren Weltraumteleskopen unterscheiden?
Mather:Jedes Teleskop sagt: „Ich bin besser als das vor mir“, und wir sagen dasselbe. Natürlich wird dieses Teleskop mit seiner Infrarot-Fähigkeit und seiner großen Öffnung in die Vergangenheit blicken; es wird durch Staubwolken hindurchsehen, um zu sehen, wo Sterne geboren werden; Es wird Dinge sehen, die Raumtemperatur haben, wie du und ich, Planeten oder junge Sterne, die geboren werden. All diese Dinge können mit der Infrarotfunktion dieses neuen Teleskops direkt gesehen werden. Die meisten Arbeiten werden in Infrarot ausgeführt, mit einigen Fähigkeiten im sichtbaren Bereich.
Aber wir haben ein Universalteleskop gebaut. Nach dem Start können Wissenschaftler wie bei Hubble Vorschläge für das schreiben, was sie beobachten möchten, damit sie beobachten können, was immer das heiße Thema zu diesem Zeitpunkt ist.
Voll funktionsfähiges Modell des JWST-Spiegels im Maßstab 1:6 im Optikprüfstand. Bildnachweis: NASA
AUS:Wie haben Sie Ihre Erfahrung mit COBE und die anschließenden Auszeichnungen, die Sie erhalten haben, auf das JWST übertragen?
Mather:Es waren nicht so sehr die Ehrungen, die mein Leben beeinflussten, sondern die Tatsache, dass ich von Anfang bis Ende den Prozess für eine sehr radikal gestaltete Sternwarte, die COBE war, mitgemacht hatte, die mir den Mut gab, groß zu denken Dinge. Als das NASA-Hauptquartier sagte, sie wollten einen Nachfolger für Hubble, dachte ich, das wäre interessant, und ich hatte genug Mut, ja zu sagen, das würde ich gerne versuchen. COBE war für die damalige Zeit sehr ehrgeizig, aber klein genug, dass ich die Ingenieure persönlich kannte und mit ihnen jeden Tag über alles reden konnte. Also dachte ich, ich könnte zu einem größeren Projekt graduieren.
AUS:Und jetzt arbeiten Sie mit Menschen aus der ganzen Welt zusammen?
Mather: Ja, das ist eine riesige Sache. Unser Wissenschaftsteam besteht aus etwa 19 Personen aus Europa, den USA und Kanada. Das Engineering-Team besteht aus über 2.000 Mitarbeitern, die auf der ganzen Welt verteilt sind. Natürlich kenne ich nicht alle. Ich arbeite am engsten mit den Wissenschaftlern zusammen und spreche mit ihnen darüber, was wir erreichen wollen und stelle sicher, dass wir das erreichen. Also habe ich jetzt eine andere Rolle. Ich habe keine praktische Verantwortung für irgendeine Hardware, aber ich arbeite mit den Leuten zusammen, die es tun. Wir haben zu jedem Thema Zugang zu einigen der besten Menschen der Welt.
AUS:Können Sie über die Probleme sprechen, die dieses Teleskop zu überwinden hatte, die Kostenüberschreitungen und die Verzögerungen, die es hatte?
Mather:Erstens, die Kostenüberschreitung ist nicht so groß, wie es von manchen Leuten dargestellt wird, die das Geld für ihre eigenen Projektideen haben möchten. Dan Goldin war ursprünglich der Chef der NASA, als wir anfingen, und er sagte: 'Wir möchten, dass Sie sich einen Weg überlegen, wie Sie dieses Observatorium für eine halbe Milliarde Dollar in 1996 Dollar bauen können.' Wir sagten, wir versuchen es. Aber wir haben schnell gemerkt, dass der Bau schwierig werden würde. Als wir es im Jahr 2000 der dekadischen Umfrage vorlegen konnten, beliefen sich die Kosten auf etwa eine Milliarde Dollar. Dann, vor drei Jahren, sahen wir, dass die Arbeit immer schwieriger wurde und wir umplanen und neu budgetieren mussten. Wenn Sie nun die gesamten NASA-Kosten von Anfang 1995 bis zum Ende zählen, irgendwann nach 2019 mit Inflation und Beamten (die wir vorher nicht gezählt haben), sind es jetzt ungefähr 4,5 Milliarden Dollar in realen Dollar, nicht 1996 Dollar. Es gibt also Kostensteigerungen, aber wir hatten ausgezeichnete Erfolge und sind auf dem besten Weg, diese wunderbare Maschine auf den Markt zu bringen, die von Tausenden von Astronomen verwendet werden wird. Und wir mussten unseren Plan oder unser Gesamtbudget seit drei Jahren nicht ändern, dank der stetigen Führung des NASA-Hauptquartiers und der brillanten technischen Arbeit der Teams.
AUS:Das ist gut zu wissen. Ich denke, die Leute haben eine allgemeine Vorstellung davon, dass das JWST eine enorme Kostenüberschreitung hatte.
Mather:Nun, es ist nicht etwas Kleines, und wir wünschten, wir hätten es besser machen können. Aber es geht um einen Faktor von zwei Wachstum und nicht um den Faktor fünf, der von einigen Leuten beworben wurde, die es besser wissen sollten. Dieses Teleskop wird für eine lange Zeit funktionieren. Die Anforderung beträgt fünf Jahre, aber wir hoffen, es zehn Jahre laufen zu lassen. Unser Projekt erstreckt sich also von 1995 bis vielleicht 2024, wenn der Betrieb eingestellt würde.
Ingenieure von Ball Aerospace inspizieren das erste Spiegelsegment des James Webb Space Telescope bei seiner Ankunft im Marshall Space Flight Center, Huntsville, Al. für kryogene Tests. Bildnachweis: NASA
Lassen Sie mich Ihnen eine Vorstellung davon geben, was wir tun mussten, um uns vorzubereiten, und was wir die ganze Zeit über gemacht haben. Wir haben eine Liste mit zehn wichtigen Technologien entwickelt, die wir brauchten. Das Schwierigste war, die Spiegel zu entwickeln. Das erforderte zwölf verschiedene Verträge, nur um die Wettbewerber so weit zu entwickeln, dass ihre Designs gut genug waren, was einige Jahre dauerte. Die Detektoren mussten gegenüber dem, was wir an den Spitzer- und Hubble-Teleskopen haben, eindeutig verbessert werden. Jetzt haben wir also größere und bessere Detektoren, und sie sind fabelhaft. Ein Maß, das Astronomen haben, ist, wie viele Streuelektronen Sie von den Detektoren bekommen. Wenn Sie das gesamte Licht ausmachen, sollten Sie Null erhalten. Wir haben jetzt Detektoren, die pro Pixel pro Stunde ein paar Streuelektronen abgeben, was fast perfekt ist. Es wäre gut, noch besser zu sein, aber das ist fabelhaft. Ich bin beeindruckt.
Wir mussten die Kühlschränke im Weltraum verbessern. Wir begannen zu sagen, dass wir ein strahlungsgekühltes Teleskop brauchen, damit es selbst kühl genug ist, und das stimmt meistens. Aber es stellte sich heraus, dass wir immer noch einen aktiven Kühlschrank brauchen, um die Detektoren mit der längsten Wellenlänge kalt zu halten, also mussten wir ihn entwickeln.
Das sind nur einige der Dinge, die wir entwerfen mussten, und die gesamte Technologieentwicklung wurde 2007 endgültig abgeschlossen und die Genehmigung des Prüfungsausschusses bestanden, der sagte: 'Ja, diese Dinge sind jetzt endlich fertig zum Bauen.'
Es war also eine lange Zeit, nur bis 2007 zu kommen, und ich glaube, die Leute haben nicht wirklich geschätzt, was es braucht, um neue Technologien vorzubereiten. Auf der anderen Seite sind wir gesegnet, dass wir nicht „sichern“ müssen. Wir haben genug Planung und Mühe in diese Technologien gesteckt, damit sie jetzt funktionieren. Das war eines der Dinge, die wir aus dem Hubble-Projekt gelernt haben, nämlich: Beenden Sie Ihr Design nicht, bevor Sie nicht wissen, was Sie bauen sollen.
AUS:Wie sieht es mit Ihrem Testprozess aus. Ist es ziemlich streng?
Mather:Das ist eine weitere Lektion, die wir von Hubble lernen mussten. Wenn Sie es nicht testen, wird es nicht funktionieren. Wir haben gelernt, einen sehr entschlossenen und rigorosen Prozess zu haben. Sie haben den Hubble ausreichend getestet, um von den Problemen mit dem Spiegelfokus wissen zu können. Der Spiegelhersteller hatte zwei nicht übereinstimmende Tests und entschied sich, einen davon zu ignorieren, anstatt den Grund zu ermitteln, was sich als töricht und teuer herausstellte.
Wir haben eine Verallgemeinerung, dass, wenn etwas wirklich wichtig ist, es zweimal tut. Wir werden das Teleskop tatsächlich kalt im großen Vakuumtank unten im Johnson Space Center testen. Es wird also ein vollständiger End-to-End-Test 'Licht am Anfang, Licht am Ende' - etwas, das sie für Hubble nicht tun konnten. Aber sie wussten, dass sie Hubble im Weltraum reparieren könnten, und wir wissen, dass wir JWST nicht reparieren können, da sich das Teleskop am L-2-Punkt befinden wird, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, die etwa viermal weiter von der Erde entfernt ist Erde als der Mond.
Dies ist ein kompliziertes Projekt, aber unsere Herangehensweise an ein kompliziertes Projekt unterscheidet sich dramatisch von der in meiner Jugend. Als ich nach Goddard kam, benutzten wir Bleistifte und Rechenschieber, und Computer waren ziemlich neu und die meisten Leute hatten sie nicht. Jetzt haben wir überall Computer, die unsere Dokumente verfolgen. Wir können System-Engineering durchführen und sogar sehr genaue, vollständige Simulationen durchführen, um zu wissen, ob etwas zusammenpasst und funktioniert, bevor wir es überhaupt gebaut haben. Die Welt hat sich also verändert, und es ist eine wundervolle Sache zu sehen. Aus diesem Grund sind wir jetzt in der Lage, dieses Observatorium zu ungefähr den gleichen realen Kosten zu bauen, die erforderlich waren, um den Hubble in Betrieb zu nehmen und in Betrieb zu nehmen. Aber JWST ist so viel größer und mächtiger.
JWST-Primärspiegel. Bildnachweis: NASA
AUS:Können Sie uns etwas über das Design des Spiegels für das JWST erzählen?
Mather:Am schwierigsten zu bauen war der Spiegel, denn wir brauchten etwas, das viel größer als Hubble ist. Aber Sie können unmöglich etwas so Großes heben oder in eine Rakete stecken, also brauchen Sie etwas, das leichter ist, aber dennoch größer, also muss es sich zusammenklappen lassen.
Der Spiegel besteht aus leichtem Beryllium und hat 18 sechseckige Segmente. Wie ein Schmetterling faltet sich das Teleskop in seiner Puppe zusammen und muss sich dann komplett von selbst lösen. Es ist ein ziemlich aufwendiger Prozess, der viele Stunden dauern wird. Das Teleskop ist mit 6,5 Metern (21 Fuß) riesig, also ziemlich beeindruckend.
Der Sonnenschutz ist komplett neu und muss auch ausgefahren werden. Was also in einen kleinen Zylinder gewickelt wurde, wird relativ gesehen zu einem riesigen Schild, der ungefähr so groß ist wie ein Tennisplatz. Es ist riesig. All dies geschieht in mehreren Phasen und wird Tage dauern. Wir haben eine Firma, Northrop Grumman, beauftragt, die Erfahrung mit der Entwicklung von Dingen im Weltraum hat, und sie sagen uns, dass dies definitiv nicht die komplizierteste Sache ist, die sie im Weltraum entwickelt haben, was beruhigend ist.
Video des JWST-Einsatzes im Weltraum:
AUS:Gab es eine Diskussion über das erste Licht und was wird das JWST zuerst prüfen?
Mather:Ja ein bisschen. Das wird der lustige Teil sein, nachdem wir das Ding zusammengebaut haben.
AUS:Haben Sie Lieblingsvorschläge?
Mather:Ich denke, wir sollten mit einfachen Zielen beginnen, die hübsch sind und es der Öffentlichkeit ermöglichen, zu sagen: „Oh, ich sehe, es funktioniert!“ Einige der ersten Beobachtungen können beim Aufstellen des Teleskops gemacht werden, noch bevor es vollständig justiert ist. Da es nach dem Start bereitgestellt wird und der Spiegel zunächst nicht annähernd die richtige Form hat, werden wir uns schrittweise daran arbeiten. Es gibt ein Testmodell bei Ball Aerospace in Boulder Colorado, wo wir üben, die 18 Spiegelsegmente in Position zu bringen. Jedes Segment hat 7 Motoren, um die Position und Krümmung zu steuern, also müssen wir dieses proben.
Dies war etwas, das sie mit Hubble nicht tun konnten. Sie wünschten, sie könnten es, und es hatte Motoren, aber sie konnten nicht stark genug drücken. Das ist eine interessante Geschichte. Wir haben von Hubble gelernt, wie man die Optik basierend auf den Bildern korrigiert, die wir erhalten haben, also tun wir dies absichtlich für dieses Teleskop.
AUS:Es gab einige Kontroversen darüber, wie das JWST gestartet werden soll.
Mather:Wir bringen das Teleskop nach Französisch-Guayana und laden es dort unten in die Rakete. Die ESA kauft uns die Trägerrakete; Es ist die Ariane 5-Rakete, ein kommerzielles Produkt aus Europa, und sie hatten in letzter Zeit einen guten Lauf, daher ist sie sehr zuverlässig.
Das hat natürlich für viele Kontroversen gesorgt. Auch wenn Europa uns sozusagen die Trägerrakete gab, gab es hier Leute, die das nicht akzeptieren wollten. Es dauerte zwei Jahre, bis die Zentrale sie akzeptierte. Das hat uns Geld gekostet. Der einzige Grund, warum es akzeptiert wurde, war, dass wir einen neuen Administrator bekamen, der es akzeptieren würde. Das war Mike Griffin, also möchte ich sagen: „Vielen Dank, Mike Griffin!“
Künstlerkonzept des JWST. Bildnachweis: NASA
AUS:Ihr Team hat vor 2013 noch viel zu tun, die wahrscheinlich schon da sein werden, bevor Sie es wissen!
Mather:Ja, ich weiß. Es ist jetzt über 13 Jahre her, dass die NASA mich diesbezüglich kontaktiert hat, aber jetzt kommt das Ende schnell. Wir haben viele technische Herausforderungen vor uns, um alles zusammenzustellen. Und wir sind noch nicht weit genug, um herauszufinden, wie viele Dinge wir kaputt gemacht oder wie viele Fehler wir gemacht haben, aber ich denke, wir sind ziemlich gut darin, sie herauszufinden, bevor wir sie machen.
Es wird sehr spannend, die Ausrüstung zum ersten Mal zusammenzustellen. Wir haben die Teile, wir haben das Bild auf der Schachtel, um zu zeigen, wo sie hingehören, und bald können wir beweisen, dass sie zusammenpassen oder nicht. Bis wir alle Teile hier bei Goddard erhalten, werden sie alle einzeln getestet worden sein, also sollen sie gut zusammenspielen. Aber die Natur mag keine Arroganz, also müssen wir das Ganze von Anfang bis Ende testen, genauso wie wir es im Flug anwenden werden. Nachdem wir es hier zusammengebaut haben, bringen wir es zum Johnson Spaceflight Center und legen es dort in den riesigen Vakuumtank. Das wird ein außergewöhnlicher Prozess sein.
AUS:Vielen Dank, dass Sie mit uns gesprochen haben.
Mather:Das hat Spaß gemacht. Ich liebe es, meine Geschichte zu erzählen und ich freue mich, dass du sie mit uns erzählen möchtest. Ich dachte, es wäre vielleicht an der Zeit, darüber zu sprechen, was wir tun, weil aufregende Dinge passieren. Es passieren großartige Dinge. Wir haben jetzt das Kepler-Observatorium aufgebaut, und hoffentlich finden sie eine Handvoll erdähnlicher Planeten zum Aufspüren und wir werden sie uns genauer ansehen.
