Der Flug des Schmetterlings

Von ULF VON RAUCHHAUPT

Bild: ESA

19. Dezember 2021 · Keinen Sondenstart erwarten Forscher so sehnlich – und vor keinem ist ihnen derart Bange. Ein letzter Blick auf das James-Webb-Weltraumteleskop.

Was für Farben! Im ersten Stock des Gebäudes S5 des Centre Spatial Guyanais blicken wir durch große Fenster hinab in eine hell beleuchtete Halle und kneifen die Augen zusammen. Es ist nicht so, dass es für diese Farben keine Wörter gibt: Schwarz, Silber, Pink, Grau und Gold. Doch das Schwarz und das Silber wirken seltsam matt, das Pink dagegen glitzert metallisch, und das Gold ist zwar spiegelblank, doch scheint ihm das Grau durch irgendeinen Kontrasteffekt einen intensiven sämigen Honigton zu verleihen. Der Anblick ist atemberaubend und doch verstörend. Diese Farben gehören irgendwie nicht auf die Erde.

Farben für das All: Das James-Webb-Weltraumteleskop wird für die Verschiffung zu seinem Startplatz in Französisch-Guyana vorbereitet.

Bild: NASA/Desiree Stover

Was uns da seine Kolorierung aufdrängt, weil sich seine Form noch fremdartiger geriert, ist dennoch kein außerirdisches Artefakt, sondern Werk menschlicher Ingenieure: das James Webb Space Telescope, das ambitionierteste Stück Weltraumhardware, das je gebaut wurde. Am 12. Oktober war es per Schiff aus Kalifornien hier im Raumfahrtzentrum bei Kourou in Französisch-Guyana an der Nordostküste Südamerikas eingetroffen. Am 5. November wird es seit einigen Tagen in der Halle dort unten für die Montage auf eine Trägerrakete vom Typ Ariane 5 ECA vorbereitet. Sie soll das Gemeinschaftsprojekt der NASA, der europäischen ESA sowie der kanadischen CSA nach aktueller Planung am 24. Dezember ins All tragen, auf dass es dort ein wahrhaft großes Erbe antrete. Mit dem „JWST“, oder einfach „Webb“, wollen die Astronomen über das hinausblicken, was das Hubble Space Telescope in den drei Jahrzehnten seines Einsatzes vom Universum sichtbar gemacht hat. Weit darüber hinaus.

Die Planungen begannen, noch bevor Hubble überhaupt im Orbit war. Das Projekt eines „Next Generation Space Telescope“, wie es zunächst hieß, wurde dann 2002 auf Initiative des damaligen NASA-Chefs Sean O’Keefe nach einem seiner Vorgänger benannt. James E. Webb hatte sich in seiner Amtszeit von 1961 bis 1968, als es für die Amerikaner vor allem darum ging, vor den Sowjets auf dem Mond zu landen, das Verdienst erworben, in der NASA die Grundlagenforschung zu stärken. Trotzdem kam die Namenswahl bei den europäischen Partnern nicht überall gut an. Und insofern der Amerikaner Edwin Hubble heute nicht mehr als alleiniger Entdecker der Expansion des Kosmos gelten kann und bekannt ist, dass der Belgier Georges Lemaître zwei Jahre vor Hubble darauf kam, hätte sich durchaus ein europäischer Namenspatron angeboten.

Andererseits zahlen die Amerikaner den Löwenanteil der Rechnung. Europa steuert den Start und anderthalb Instrumente bei, Kanada ein weiteres Instrument und Amerika den ganzen Rest, insbesondere Entwicklung und den Bau des Teleskops. Im Jahr 1997 rechnete man mit Kosten von etwa 500 Millionen Dollar und einem Start im Jahr 2007. Doch dann geriet das Vorhaben immer mehr zu einem Albtraum für Projektmanager. Eine Kostenüberschreitung jagte die nächste, was bald auch die Aussicht anderer Vorhaben auf Finanzierung belastete. Als „Telescope that ate Astronomy“ betitelte Nature das Projekt im Jahr 2010, und im Jahr darauf wäre es um ein Haar gestrichen worden. Nun startet es mit 14 Jahren Verspätung und kostet knapp zehn Milliarden Dollar – keine unbemannte Raummission war je teurer. Umso weniger darf am 24. Dezember und den Wochen danach schiefgehen. Selten hat sich die internationale Astronomen-Community so auf ein neues Instrument gefreut. Doch zugleich war ihr wohl noch nie so bange. Und allein der Anblick des fragil wirkenden Gebildes dort unten in der Reinraumhalle in Kourou lässt einen das nachvollziehen.

Video: James Webb Space Telescope

Denn James Webb ist eine extravagante Konstruktion. Es verfügt über einen 6,5 Meter großen Primärspiegel – auch von den erdgebundenen Teleskopen haben nur wenige größere Kaliber. So etwas passt nicht einmal in eine Ariane 5. Daher haben die Konstrukteure den Spiegel in achtzehn sechseckige Segmente unterteilt und zusammen mit den übrigen Komponenten des Instruments zusammengefaltet, um es im Weltraum wieder auseinanderzuklappen wie eine Designer-Gartenliege – oder wie einen schlüpfenden Schmetterling. Mit den antennenbestückten Quadern anderer wissenschaftlicher Weltraumgefährte hat das JWST jedenfalls weder im eingefalteten noch im auseinandergeklappten Zustand optisch viel gemein.

Warum aber nun diese Farben? Das stumpfe Schwarz habe thermische Gründe, erklärt Mark Voyton, ebenso der zinnerne Silberton, der an den jetzt noch sichtbaren Komponenten nur eine einzelne Stange verhüllt. Sie ist Teil der eingeklappten Halterung des Sekundärspiegels, der später im Fokus des großen Spiegels sitzen wird, um das von diesem gebündelte Licht durch eine Öffnung im Zentrum des Hauptspiegels zu den dahinterliegenden insgesamt vier Kameras und Spektrographen zu schicken. Voyton arbeitet für die NASA. Vier seiner Leute hatten das Instrument auf dem Schiff begleitet, jetzt betreuen er und sein Team hier am Startplatz in Kourou Webbs Integration in die Rakete. Eigentlich arbeitet Voyton am Goddard Space Flight Center, wo seit 2015 der optische Teil des Instruments montiert wurde, insbesondere die vergoldeten Spiegel.

Das Gold hat hier eine andere Funktion als sonst in der Raumfahrt, wo die Farbe einem ja immer mal wieder begegnet. Etwa in Gestalt der Folie, mit der man die Beine der Apollo-Mondlandefähren umwickelt hatte, die aber nicht aus metallischem Gold war, sondern aus Kunststoff. Die Segmente des JWST-Hauptspiegels dagegen, von denen jetzt, im zusammengefalteten Zustand, nur die drei zurückgeklappten auf der rechten Seite vollständig zu sehen sind, wurden wie der Sekundärspiegel mit richtigem Gold beschichtet. Es ist nicht viel, etwa das Äquivalent von fünf Eheringen, doch es ist zentral für die Mission. Webb soll Hubble nämlich nicht einfach ersetzen, sondern uns das Weltall in einem ganz anderen Licht zeigen (siehe nächstes Kapitel).

Der zusammengesetzte Primärspiegel des JWST hat eine mehr als sechsmal so große Fläche wie der Spiegel des Hubble-Teleskops – er wiegt aber nicht einmal halb so viel.

Quelle: ESA / F.A.Z.-Grafik Piron

„Webb ist dafür konstruiert, im Infraroten zu beobachten“, sagt Mark McCaughrean von der ESA. Der sonst so eloquente britische Astronom spricht nur zögernd und ohne den Blick von dem Gerät auf der anderen Seite des Reinraumfensters abzuwenden. Er sieht das Instrument, mit dem er seit zwei Jahrzehnten zu tun hat, heute selbst zum ersten Mal mit eigenen Augen. Teleskopspiegel, erklärt er, müssen möglichst alle interessanten Wellenlängen gleich gut zurückwerfen. „Im sichtbaren Spektralbereich verwendet man daher Silber oder Aluminium.“ Beide aber reflektieren infrarotes Licht nicht so gut wie Gold.

Das edle Grau schließlich ist die Farbe der Spiegelsegmente unter der Goldbeschichtung und daher nur an den Schmalseiten der Sechsecke zu sehen. Es ist die Farbe von Beryllium. Dieses ist ein wahres Wundermetall für Raumfahrtingenieure: um ein Drittel leichter als Aluminium, aber sechsmal steifer als Stahl. Außerdem verändern sich Werkstücke aus Beryllium beim Abkühlen nur minimal. Leider ist es sündhaft teuer, höllisch schwierig zu bearbeiten und obendrein giftig. Für die Spiegel des JWST, die ihre Mikrometer-Toleranzen auch im Weltall erfüllen müssen, war es dennoch das Material der Wahl.

Bleibt noch das Pink. Es glänzt zerknittert wie Metallfolie, in die Teile des James-Webb-Teleskops eingewickelt wurden. Das stimmt für den Sockelbereich, an dem auch eine – vergleichsweise winzige – Antennenschüssel sichtbar ist. Die beiden langen Rechtecke aber, die das schwarz-grau-goldene Gebilde flankieren, bestehen aus fünf Lagen einer mit Silicium behandelten Folie aus dem Kunststoff Kapton. Im All sollen sie auseinandergerollt, gespannt und senkrecht zu ihrer Ebene auseinandergefahren werden, sodass zwischen den Lagen Zwischenräume bleiben. Zusammen bilden sie ein tennisplatzgroßes Schild, das jegliche Sonnenstrahlen von den Spiegeln fernhalten soll, insbesondere die infraroten, also die Wärmestrahlung.

Das JWST sieht Licht mit Wellenlängen zwischen 0,6 und 28,3 Mikrometern. Es schließt so die Lücke zwischen Hubble und dem Herschel-Teleskop, ist aber weit empfindlicher als Spitzer.

Quelle: ESA / F.A.Z.-Grafik Piron

Denn James Webb muss kalt bleiben, sehr kalt: keine 50 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Nach dem Ausbreiten des Sonnenschildes wird es einen Monat dauern, bis das Instrument auf diese Temperatur abgekühlt ist. Erst dann kann es Infrarotlicht fernster Galaxien beobachten, ohne es mit seiner eigenen Wärme zu überblenden. Eines der vier Instrumente, die zur Hälfte von europäischen Wissenschaftlern beigesteuerte Kamera „MIRI“, soll besonders langwelliges Infrarot beobachten – die Wärmestrahlung schon ziemlich kalter Objekte – und muss daher noch weiter heruntergekühlt werden, bis auf sieben Grad über absolut Null. Ohne das Schild wären solche Temperaturen nicht zu erreichen, nicht über die fünf, vielleicht sogar zehn Jahre Missionsdauer, die man sich für das JWST erhofft. Die für ein unbemanntes Weltraumding eigentlich maximal unpraktische Dimension des Sonnenschildes ergibt sich aus den Anforderungen des Beobachtungsbetriebs, erklärt Peter Jensen, der das Projekt aufseiten der ESA lange geleitet hat. „Je größer der Sonnenschild, desto weiter können wir den Spiegel schwenken.“ Umso größer ist also der zu einer bestimmten Zeit im Jahreslauf beobachtbare Ausschnitt des Sternenhimmels.

Damit das Schild die Wärme der Sonne – und auch die von Erde und Mond – ununterbrochen von Spiegeln und Instrumenten fernhalten kann, kreist Webb anders als Hubble nicht um die Erde, sondern um die Sonne, an einem „L2“ genannten Punkt, auf dem es trotzdem im Jahreslauf die Erde begleitet, nur eben 1,5 Millionen Kilometer weiter draußen, viermal weiter entfernt als der Mond. So weit fliegt keine heute existierende bemannte Kapsel. Man kann also keine Astronauten hinschicken. Das Hubble-Teleskop, das mit einer fehlerhaft konstruierten Optik gestartet worden war, wurde seinerzeit durch solch eine Reparaturmission gerettet. Passierte ein ähnlicher Fehler bei Webb, wäre das Projekt wissenschaftlich mausetot.

Die Gravitationskräfte von Sonne und Erde überlagern sich an fünf „Lagrange-Punkten“ in besonderer Weise. Am „L2“ addieren sie sich genau so, dass eine dort kreisende Raumsonde zwar weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde, sich aber trotzdem genauso schnell um die Sonne bewegt wie diese und daher im Jahreslauf stets in konstanter Nähe zu ihr bleibt. Daher wird das JWST am Lagrange-Punkt L2 betrieben.

Quelle: ESA / F.A.Z.-Grafik Piron

Solche Probleme mit der Optik könne man diesmal allerdings ausschließen, sagt Mark Voyton. „Wir haben die Optik des Teleskops am Johnson Space Center in Houston getestet.“ Das ganze Instrument sei dort auf ordnungsgemäßes Verhalten unter Weltraumbedingungen geprüft worden. „In einer riesigen Vakuumkammer aus Apollo-Zeiten, die seit dreißig oder vierzig Jahren nicht mehr benutzt wurde.“ Die Optik habe man dabei mit einer anderen Ausrüstung getestet als der, mit der sie designt worden war. Auch die Krümmung der Spiegel sei geprüft worden. „Außerdem können wir die Optik im Orbit noch ändern. Die Segmente sind in sieben Freiheitsgraden verschiebbar – und wir haben Aktuatoren, mit denen wir die Krümmung jedes Segments ändern können.“

So viel zu den Fehlerquellen, über die man aus Erfahrung gelernt hat. Viel mehr Sorgen machen den Verantwortlichen naturgemäß diejenigen, über deren Existenz man nichts weiß und auch gar nichts wissen kann, weil sie Techniken betreffen, die beim JWST zum ersten Mal eingesetzt werden. Und von denen gibt es hier viele. Ein ganzes Spiegelteleskop samt Sonnenschild soll während des Fluges zum L2 über einen Zeitraum von zwanzig Tagen in Hunderten einzelner Schritte entfaltet werden, und keiner davon sollte anders verlaufen als geplant. So etwas wurde nie zuvor versucht.

Auf einmal tut sich etwas in der Halle. War das James-Webb-Teleskop, genauer gesagt dessen eingefaltete Puppe, eben noch allein, stehen nun vier weiß vermummte Gestalten am Fuß des 10,6 Meter hohen Ungetüms. Eine fünfte liegt bäuchlings auf einem Brett, das auf der Gabel eines Gabelstaplers steckt und langsam nach oben fährt. Diving board, also Sprungbrett, nennen die NASA-Techniker diese Vorrichtung. Drei damit ausgestattete Stapler stehen in der Halle. Sie wurden vom Goddard Space Flight Center hierhergebracht. Dort waren sie 2016 zunächst dafür benutzt worden, nach dem Zusammensetzen der Berylliumsegmente des Primärspiegels die Abdeckungen von den vergoldeten Flächen abzunehmen.

Knochenjob im Reinraum: Nach der Endmontage des Spiegels werden die Schutzverkleidungen abgenommen.

Bild: Nasa

In acht oder neun Metern Höhe schiebt der Stapler den Vermummten auf dem diving board vorsichtig bis über das oberste goldene Sechseck. Die Gestalt zückt eine Kamera und macht Bilder. „Eine Inspektion“, erklärt Mark Voyton. „Das geschieht jedes Mal, nachdem wir etwas an dem Teleskop gemacht haben.“ Anhand der Bilder lässt sich notfalls auch dann noch einer Störung auf den Grund gehen, wenn das Gerät bereits im All ist, was eventuell die Chancen steigert, sie durch geeignete Funkbefehle zu beheben. Tatsächlich besiegelt in Zeiten, da Technik zu großen Teilen aus Software besteht, längst nicht mehr jede Funktionsstörung das Schicksal einer Weltraummission. „Die Leute sind ziemlich clever darin, sich um Defekte herumzuarbeiten“, sagt Daniel de Chambure, bei der ESA für Missionen auf der Ariane zuständig. Berühmt wurde der Fall der amerikanischen Raumsonde Galileo, deren regenschirmartig eingefaltete Hauptantenne 1991 auf dem Weg zum Jupiter nicht richtig aufging, sodass Messdaten nur über eine Hilfsantenne mit viel geringerer Übertragungsrate zur Erde gefunkt werden konnten. Dann machte auch noch ein Magnetband-Rekorder Probleme. Durch trickreiches Umprogrammieren der Sonde und ihres Datenmanagements, aber auch dank des Einsatzes empfindlicherer Radioempfänger auf der Erde, konnte die Sonde Teile ihrer Mission trotzdem erfüllen.

Im Fall des deutlich komplexeren JWST dürften Anomalien das Improvisationstalent der Fachleute allerdings vor ungleich größere Herausforderungen stellen, zumal die kritische Auffaltung ja vor allem mechanischer Natur ist. Ein Klemmen, Verhaken oder das Reißen einer Schicht der pinkfarbenen Kaptonfolie des Sonnenschildes – wozu es 2018 bei Tests am Boden schon gekommen ist – könnte Webb existenziell bedrohen. Daher erfordern ungeplante Zwischenfälle bei der Montage umso aufwendigere Inspektionen: Als man das JWST zwei Wochen nach unserem Besuch auf dem Adapter befestigte, der es später mit der Oberstufe der Ariane verbindet, löste sich plötzlich ein Klammerband, was das ganze Gerät in Schwingungen versetzte. Nun wurde eine so eingehende Untersuchung nötig, dass der Starttermin gleich um vier Tage verschoben werden musste, vom 18. auf den 22. Dezember. Es wurden aber keine Schäden festgestellt. Wegen eines Problems mit einem Datenkabel wurde der Start später um weitere zwei Tage auf den 24. Dezember verschoben.

Vorsicht ist eine Maßnahme, um bösen Überraschungen vorzubeugen. Eine andere ist extreme Reinlichkeit. Der Feind sind Härchen, Hautschuppen oder Staubkörner, die an kritischen Stellen auf dem Gerät Ärger machen können. Die Halle im Centre Spatial Guyanais ist normalerweise ein Reinraum der Klasse ISO 8: In einem Kubikmeter Luft dürfen höchstens dreieinhalb Millionen Partikel größer als 0,5 Mikrometer schweben. ISO 8 reicht für die Kommunikations- oder Wettersatelliten, die hier normalerweise abgefertigt werden, doch für Webb ist das nicht sauber genug. Daher schaffte die NASA zwölf riesige Hepa-Filteranlagen nach Französisch-Guyana. Zu zwei jeweils sechs Meter hohen Mauern aufgetürmt stehen sie beiderseits des eingefalteten Teleskops und filtern die Luft, um deren Sauberkeit auf ISO 7 zu erhöhen, sodass der Kubikmeter nun zehnmal weniger Teilchen enthält. Auch sonst wurde die Hardwarehygiene verschärft. „Alles Material, das in die Halle kommt, wird eigens gereinigt, alles, bis zum letzten Kugelschreiber“, sagt Thierry Wilmart, der Missionsdirektor von der Firma Arianespace, welche die Raketenstarts in Kourou durchführt. „Und wir benutzen spezielles Papier. Normales Schreibpapier ist da drin nicht erlaubt.“

Am NASA-Center in Houston gibt es noch eine Vakuumkammer aus Apollo-Zeiten, die groß genug ist, um darin Webb’s Spiegel unter Weltraumbedingungen zu testen.

Bild: NASA/Desiree Stover

Nachdem die NASA und ihre Industriepartner mit der Konstruktion des ersten auffaltbaren Weltraumteleskops ein solch hohes Risiko für das Auftreten von Unvorhersehbarem eingingen, sind sie nun darauf bedacht, jedes Risiko von Vorhersehbarem zu vermeiden – und sei es noch so winzig. So ist es heutzutage, wo Kameras fast nichts mehr kosten und noch weniger wiegen, üblich geworden, jede Raketenstufe und jede Nutzlastverkleidung damit zu bestücken, um deren Absprengungen zur Erde zu übertragen – und sei es nur zu PR-Zwecken und zur Freude der Space-Youtuber und ihrer Zuschauer. Und das wird auch bei dem Ariane-Flug des James-Webb-Teleskops nicht anders sein. Da wäre es nett gewesen, hätte man auch am Teleskop selbst ein paar Kameras angebracht, damit die Erdlinge der technikhistorisch epochalen Entfaltung des Weltraum-Schmetterlings live und in Farbe zusehen können. „Das wurde diskutiert“, sagt Mark McCaughrean. „Doch die Ingenieure haben davon abgeraten.“ Das Problem sei die Beleuchtung. Natürlich hätte man die Kameras mit Lichtquellen versehen können. „Aber stellen Sie sich vor, durch irgendeinen Defekt geht danach das Licht nicht mehr aus. Das hätte die Mission ruiniert. Und für die Überwachung des Vorgangs durch die Bodenkontrolle ist es nicht nötig, das Auffalten zu filmen“, sagt McCaughrean. „Für alles, was an Bord passiert, gibt es Sensoren.“

Die Bodenkontrolle für James Webb sitzt im Space Telescope Science Institute in Baltimore, das 1981 für den Betrieb des Hubble-Weltraumteleskops gegründet wurde. In Kourou geht es nur um den Start. Vom Betanken der Ariane 5 bis zum Moment des Abhebens liegt alles in den Händen von Jean-Marc Durand, dem Leiter der Arianespace in Französisch-Guyana, und 120 weiterer Fachleute. Ihr Kontrollraum liegt in einem vierstöckigen Bürobau, dem „Centre de Lancement No.3“, kurz CL3, auf dem noch einmal eigens gesicherten Startgelände der Arianespace. In jenen Raum gelangt man allerdings nur durch gasdichte Panzertüren. „Das hier ist ein Bunker“, sagt Durand. „Wir sind vier Kilometer von der Startrampe entfernt.“ Wer keinen Platz im Bunker hat, wird vor einem Start aus einem Umkreis von acht Kilometern evakuiert, dann sperrt die Fremdenlegion die Zufahrtsstraße. Sobald die Rakete in der Luft ist, übernimmt der große Kontrollraum im Gebäude „Jupiter“ am südlichen Ende des mehr als 700 Quadratkilometer großen Areals des Centre Spatial Guyanais, weit außerhalb der Sperrzone. Dort laufen die Daten der Wetterstation und der Radarposten zusammen, die Daten aus dem Startbunker im CL3 und die über das Befinden der kostbaren Nutzlast, welche dann immer noch von Mark Voytons NASA-Team vom Gebäude S5 aus betreut wird. In „Jupiter“ sitzen auch die VIPs und die Presse, dort spricht der Directeur des opérations den Countdown – und dort wird dann, nach der ordnungsgemäßen Abtrennung der Stufen und der Nutzlastverkleidung, gejubelt. „Hier im CL3 jubeln wir nicht, denn es ist ja nicht unsere Mission“, sagt Durand. „Aber wir fühlen uns besser.“

Am Abend des 24. Dezember hätte auch der Arianespace-Manager dazu besonderen Grund. Im vergangenen Jahr war bei zwei Ariane-Starts eine Anomalie an der Nutzlastverkleidung aufgetreten, also der aerodynamisch geformten Hülle an der Spitze der Rakete. Ihr Absprengen hatte die Fracht in Schwingungen versetzt, deren Stärke die Toleranzgrenzen deutlich überschritten hätte, wäre Webb auf einer dieser Raketen geflogen. Arianespace stoppte daraufhin alle Starts und nahm Änderungen an den Verkleidungen vor, bevor im Juli und Oktober wieder Arianes abhoben. „Der letzte Flug war absolut perfekt“, sagt der ESA-Manager Daniel de Chambure. „Dieses Problem gibt es nicht mehr.“

Aber dann ist da noch der Start selbst. Noch ist die Rampe für die Ariane 5 verwaist. Wir stehen am Fuß des 50 Meter hohen Betonturms und schauen hinab in drei riesige Löcher im Boden, zwei quadratische und zwischen ihnen ein rundes mit stählerner Einfassung. Über ihnen werden, wenn von nun an alles glatt läuft, das nächste Mal am 24. Dezember die Triebwerke einer Ariane zünden. Zwei kleine Vögel wissen noch nichts davon. Lebhaft flattern sie aus den Öffnungen empor zu einem Register abgewinkelter Stahlrohre mit vernieteten Krausen um die Öffnungen. Steampunk? Allerdings. Im Moment der Zündung strömen aus diesen Rohrmündungen binnen Sekunden tausend Tonnen Wasser, um den Schall zu dämpfen, den insbesondere die beiden Boostertriebwerke erzeugen. In dem Inferno des brennenden Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischs der Hauptstufe und dem Rauch des in den Boostern mit Aluminiumpulver reagierenden Ammoniumperchlorats verdampft das dämpfende Wasser vollständig. Ein Raketenstart setzt enorme Gewalten frei. Und die soll jenes Origami aus vergoldetem Beryllium heil überstehen?

Tatsächlich ist die Ariane 5 eine der zuverlässigsten Raketen überhaupt. Von 111 Starts gingen nur zwei richtig schief: der Jungfernflug im Jahr 1996 sowie der erste Start der Variante Ariane 5 ECA in 2002 – und bei Erstflügen neuer Raketen misslingt statistisch jeder zweite. Inzwischen ist die Ariane 5 am Ende ihrer Zeit angekommen. Der letzte Start ist für 2023 geplant, und ihre Nachfolgerin Ariane 6 soll Ende 2022 zum ersten Mal fliegen. Mit der Ariane 5 haben die Ingenieure der Arianespace so viel Erfahrung, dass alle Verantwortlichen bei NASA und ESA sich einig sind: Der Start ist für James Webb noch die geringste Gefahr.

Europas Tor zu den Sternen: Auf dem Gelände des Centre Spatial Guyanais bei Kourou wird eine Ariane-5 zur ihrer Startrampe geschoben.

Bild: Arianespace

Wenn dann auch alles andere geklappt hat, wenn sich der Schmetterling in den „29 Tagen des Schreckens“ planmäßig entfaltet und seinen Orbit am L2-Punkt erreicht hat, wenn er dann abgekühlt ist, alle Instrumente funktionieren und die Astronomen im Sommer 2022 mit ihren Beobachtungen beginnen können – dann wird man ernsthaft über „Luvoir“ reden wollen. Der „Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor“ ist die Idee für ein zukünftiges Weltraumteleskop nach dem Vorbild Webbs für einen größeren Wellenlängenbereich, mit einem mindestens acht Meter großen Spiegel und einem Sonnenschild von der Größe eines halben Fußballfeldes. Kommt es dagegen beim Auffalten Webbs zu größeren Problemen, könnte Luvoir erst einmal in den Schubladen der NASA verschwinden.

Oder bekommt der Schmetterling auch dann noch einmal eine Chance? Inzwischen hat uns Jean-Marc Durand auf den Startturm der Ariane 5 geführt. Vorher musste eine Erlaubnis der Wetterstation eingeholt werden, auf dass uns da oben kein Blitz treffe – den vier riesigen Stahlmasten zum Trotz, die den Turm als Blitzableiter umstehen. Hier überblickt man das ganze Gelände: Von S5 weit im Süden, wo Webb im Moment noch von reinlichen Gestalten umsorgt wird, über den Hochbau für die Montage der Ariane, wo aus Bremen und Les Mureaux bei Paris schon die beiden Ariane-Stufen für seinen Start angeliefert wurden. Man erkennt auch die geschlossene Rampe der Ariane 4 und die noch nicht eröffnete der Ariane 6. Dann weist Durand nach Nordosten. Hinter dem Mangrovendschungel ist in drei Kilometern Entfernung der Atlantik zu sehen sowie drei kleine Inseln. „Die hintere ist die Teufelsinsel“, sagt Durand, „dort spielt ,Papillon‘“. In diesem Film geht es um die berüchtigte Strafkolonie auf dem Archipel. Sie wurde 1953 geschlossen, heute befindet sich dort eine Radarstation zur Überwachung der Flugbahnen gestarteter Raketen. Die Hauptfigur in „Papillon“ ist ein Mann mit Schmetterlingstattoo, der zunächst vergeblich versucht, aus jener Strafkolonie zu fliehen. Bis es ihm schließlich gelingt.

Bis zu den ersten Sternen

Von SIBYLLE ANDERL

Bild: Nasa

Lange haben Astronomen weltweit auf das James Webb Teleskop gewartet. Dessen wissenschaftliches Potential ist groß.

Der 24. November 2020 war für viele Astronomen ein hektischer Tag. Übermüdet von zahlreichen durchgearbeiteten Abenden und Wochenenden, blieben ihnen nur noch wenige Stunden, um letzte Berechnungen und Formulierungen in ihren Onlinedokumenten zu optimieren. Bis spätestens 20 Uhr Eastern Time musste das geschehen sein – der letztmögliche Zeitpunkt, zu dem das „Astronomers Proposal Tool“ (APT) des Space Telescope Science Institute der NASA noch Anträge auf Beobachtungszeit mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) annehmen würde.

Anlass für diese weltweit koordinierte Arbeitsaktivität war der erste Antragszyklus des JWST, bei dem bis zu 6000 Stunden Beobachtungszeit innerhalb der internationalen astronomischen Community vergeben werden konnten, aufgeteilt auf kleine (weniger als 25 Stunden), mittlere (weniger als 75 Stunden) und große Forschungsprogramme. Beobachtungszeit an leistungsfähigen Teleskopen ist die Grundwährung empirischer astronomischer Forschung, und die Astronomiegeschichte zeigt, dass die Inbetriebnahme neuer Beobachtungsinstrumente stets zu einer Welle neuer Entdeckungen geführt hat. Wer bei den Ersten dabei sein will, muss hart dafür arbeiten, um sich die entsprechenden Daten zu reservieren. Es muss überzeugend dargelegt werden, welche Forschungsfragen anhand der Beobachtungen beantwortet werden sollen, man muss die dafür benötigten Instrumente an Bord des Teleskops und deren Einstellungen benennen und sicherstellen, dass diese Beobachtungen auch tatsächlich realistisch ausgeführt werden können. Die erfolgreichen Antragsteller haben dann ein Jahr lang exklusiven Zugriff auf die Daten, bevor diese allen Astronomen zur Verfügung gestellt werden.

1172 solcher Anträge wurden von Wissenschaftlern aus 44 verschiedenen Ländern bis zur Deadline eingereicht, um daraufhin in einem strengen Auswahlprozess von Gutachtern geprüft zu werden. 266 Programme überstanden diese Prüfung schließlich und werden – sofern das JWST wohlbehalten sein Ziel erreicht – im ersten Jahr nach einer sechsmonatigen Phase der Inbetriebnahme realisiert werden. 33 Prozent dieser Anträge stammen aus Mitgliedsländern der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Die genehmigten Programme decken ein breites Themenspektrum ab. Die vier Infrarot-Messinstrumente, die Daten in verschiedenen Wellenlängenbereichen mit unterschiedlicher spektraler Auflösung aufnehmen können, sollen neue Erkenntnisse auf allen kosmischen Skalen ermöglichen: in unserem eigenen Sonnensystem, beim Verständnis fremder Sterne und Planeten in der Milchstraße sowie dem interstellaren Medium dazwischen. Gleichzeitig wird es um fremde Galaxien und deren zentrale Schwarze Löcher, um das intergalaktische Medium und die ganz großen Materiestrukturen im Universum gehen.

So sieht das Hubble-Teleskop die „Säulen der Schöpfung“ im rund 7000 Lichtjahre entfernten Adlernebel bei optischen (links) und infraroten Wellenlängen (rechts): Nur das infrarote Licht der Hintergrundsterne durchdringt den staubigen Vordergrund.

Bilder: NASA/ESA

Diese individuell beantragten und genehmigten Programme werden aber nicht die gesamte Beobachtungszeit des JWST ausfüllen. In den ersten fünf Monaten werden außerdem gezielt Programme realisiert, die das wissenschaftliche Potential des Teleskops demonstrieren sollen und deren Daten sofort von allen Astronomen genutzt werden können. Außerdem wurden 16 Prozent der Beobachtungszeit für die beteiligten Entwickler der Hard- und Software reserviert, um deren Beitrag zu belohnen, dessen Anerkennung in der Astrophysik oft zu kurz kommt.

Dass das JWST sich an derart vielen Forschungsthemen versuchen würde, war zu Anfang nicht unbedingt absehbar gewesen. Als es zur Jahrtausendwende im astronomischen Ausblick der amerikanischen nationalen Akademien auf das bevorstehende Jahrzehnt als Projekt höchster Priorität präsentiert wurde, waren vor allem die Beobachtung der ersten Generation von Sternen im Kosmos und die Entwicklung von Galaxien seit ihrer Geburt bis heute hervorgehoben worden. Das waren die Themen, von denen man wusste, dass hier das Hubble-Weltraumteleskop an seine Grenzen stoßen würde. Dessen Blick reichte nicht weit genug in die Vergangenheit, um hier Antworten zu liefern.

Welche Instrumente das JWST an Bord tragen würde, war in den folgenden Jahren Gegenstand einiger Diskussionen. Die lange Entwicklungszeit des Instruments und die Explosion seiner Kosten führten auf der einen Seite dazu, dass seitens der NASA immer wieder über eine Reduktion der Komplexität der wissenschaftlichen Instrumente diskutiert wurde, während vonseiten der Wissenschaftler der Druck immer größer wurde, den maximalen wissenschaftlichen Nutzen aus der Mission zu ziehen – ein so aufwendiges Gerät wie das James-Webb-Teleskop würde es schließlich so schnell nicht wieder geben. Die vier Instrumente, die aus diesem Wettstreit hervorgingen, wurden letztlich in internationaler Partnerschaft entwickelt: Eins entwickelte die ESA, eins die ESA zusammen mit der NASA, eines stammt von der University of Arizona, und eines wurde von der kanadischen Weltraumagentur beigesteuert.

Das wissenschaftliche Potential des JWST als Infrarotteleskop ergibt sich zum einen aus der Tatsache, dass Strahlung aus der Frühzeit des Universums durch die kosmische Expansion zu längeren Wellenlängen verschoben wurde. Das Licht der ersten Sterne und Galaxien vor etwa 13,6 Milliarden Jahren, das ursprünglich 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 ionisierte – die sogenannte Epoche der Reionisation.

Man weiß von mehreren Planeten, die in theoretisch lebensfreundlichen Entfernungen um ihre Sterne kreisen – etwa den hier künstlerisch dargestellten Planeten Trappist-1e. Um mehr darüber zu erfahren, wie lebensfreundlich sie tatsächlich sind, soll Webb etwas über ihre Atmosphären herausbekommen.

Bilder: NASA, ESA/Hubble

Auch die weitere Entwicklung der Galaxien wird das JWST beobachten können und damit hoffentlich die Frage beantworten, wie die frühen, kleinen und oft klumpigen Sternwolken zu den Galaxien wurden, die wir heute aus unserer näheren kosmischen Umgebung kennen. Dabei wird auch der Einfluss Dunkler Materie studiert werden können.

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.

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. In jedem Fall gibt es viele Gründe, dem Beginn der wissenschaftlichen Beobachtungen entgegenzufiebern.