Das unsichtbare Licht erforschen

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So, meine lieben, das wäre erst mal geschafft.

Heute ist es also an seinem Ziel um die Sonne angekommen, das James-Webb-Space Teleskop. Das ist auf jeden Fall eines der ambitioniertesten Projekte mit dermaßen vielen technischen Herausforderungen, das die Menschheit vielleicht je gebaut hat. Es ist die Rede von 344 (dreihundertvierundvierzig) Dingen, die hätten schief gehen können. Damit ist vor allem die Entfaltung des ganzen Teleskops gemeint. Da ist der Hitzeschild, groß, wie ein Tennisplatz, der aus fünf Schichten besteht, die nur wenige Mikrometer dünn sind und zwischen denen sich Vakuum zum Wärmeschutz bilden soll. Da sind die Sonnenkollektoren, die entfaltet werden müssen, da ist der aus vielen Sechsecken bestehende Primärspiegel, der Sekundärspiegel, Arme die ausgefahren werden mussten, und, und, und. Wer von euch schon mal versucht hat, eine Landkarte von Falk wieder zusammen zu falten, weiß ungefähr, was ich meine. Damit kann man sein Leben zubringen. Und das alles hat automatisch im All ohne einen einzigen Origami-Künstler funktioniert. Aber das ist es eigentlich gar nicht, was ich schreiben will. Zum Teleskop hänge ich euch unten einige Links an.

Ich will darüber schreiben, was es mit seinen Kameras und Messinstrumenten sehen und entdecken soll. Manche sagen, das JWST sei der Nachfolger des Hubble-Teleskopes. Das stimmt so nicht. Es ist allenfalls die Konsequenz daraus. Hubble untersucht das Universum im sichtbaren Licht. Das JWST hingegen im unsichtbaren Licht. Würdigen wir also das Teleskop, indem wir uns mit seinem Forschungsgegenstand beschäftigen.

Die Entdeckung des unsichtbaren Lichts

William Herschel, der damals bereits durch seine Entdeckung des Planeten Uranus weltberühmt war, betrachtete oft die Sonne mit seinem Fernrohr, an das er am Okularende Farbfilter angebracht hatte, die seine Augen vor der starken Sonnenstrahlung schützen sollten. Dabei fiel ihm auf, dass er bei Filtern, die kaum Licht durchliessen, oft im Augapfel ein deutliches Wärmegefühl hatte, und er vermutete daher, dass die Wärmestrahlung der Sonne nicht mit dem sichtbaren Licht zuuns kommt, sondern in irgendeiner dem Auge unsichtbaren Form. Den Beweis führte er mit einem Experiment, das sich eng an das Newtonsche Lichtexperiment anschloss. Er ließ Sonnenlicht in einem verdunkelten Raum durch ein Prisma auf einen Papierstreifen fallen
Newton löste das Sonnenlicht mittels eines Prismas in seine Regenbogenfarben auf und setzte es dann mit einem zweiten wieder zu weißem Licht zusammen. Daraus leitete Newton seine Theorie ab, woraus Licht bestehen könnte.
Wir begegneten dem Licht und seiner Eigenschafften auf der Reise zu den schwarzen Löchern in Station sechs.
An das rote Ende des Spektrums, aber außerhalb des Bereiches, in dem man das in Farben zerlegte Sonnenlicht sehen kann, legte Herschel nun drei Thermometer auf den Tisch. Dort, wo unser Auge kein Licht mehr wahrnimmt, zeigten die Messgeräte erhöhte Temperaturen an. Herschel hatte die Strahlen der Sonne entdeckt, die jenseits des roten Lichtes im Spektrum liegen, das infrarote Licht. Angeregt durch diese Entdeckung setzte der deutsche Physiker johann Wilhelm Ritter (1776-1810) Silberchlorid verschiedenen Bereichen des Sonnenspektrums aus. Diese Verbindung des Silbers wird durch Licht verändert, deshalb verwendete man sie vor den Digitalkameras ebenso wie Silberbromid in der Fotografie. In Brillengläsern, die sich automatisch der Helligkeit anpassen, werden diese Chemikalien ebenfalls eingesetzt.
Ritter fand, dass die stärksten chemischen Reaktionen jenseits des violetten Endes des Spektrums auftraten. So entdeckte er die Ultraviolettstrahlung der Sonne.
Herschel und Ritter hatten für das Auge unsichtbare Sonnenstrahlen gefunden, die das Newtonsche Spektrum sowohl über das rote als auch über das violette Ende hinaus fortsetzten. Heute wissen wir, dass man das Spektrum nach beiden Seiten hin noch viel weiter ausdehnen kann.
Nach dem infraroten Licht kommen die Radiowellen. Nach der anderen Seite des Spektrums, jenseits des violetten Endes liegen hinter dem Ultraviolett noch die Röntgenstrahlen und schließlich die sogenannten Gammastrahlen. Die Sonne sendet alle diese Strahlenarten in den Raum. Vor den gefährlichsten Strahlung schützt uns zum Glück unsere Atmosphäre.

Das Infrarote Licht

Infrarotes Licht nehmen wir als Wärme war. Rotlichtlampen, die häufig in der Medizin zur Heilung von Schmerzen verwendet werden, senden fast nur infrarotes Licht aus, ebenso Heizspiralen unserer Grills und Backöfen. Unsere Sonne überbringt uns wohlige Wärme durch den Anteil ihrer infraroten Strahlung.
Das Verhängnis unseres Klimawandels verdanken wir der Tatsache, dass die Treibhausgase zwar das sichtbare Sonnenlicht durchlassen, es aber dabei in langwelligeres infrarotes Licht verwandeln, dass diese Gase dann eben nicht mehr ins All zurück lassen. Diese Wärme bildet dann das schädliche Treibhaus.
Wieso ist aber nun gerade für uns infrarotes Licht im All so spannend, dass wir ein zehn Milliarden teures Teleskop zu seiner Erforschung bauen.

Die Idee

Die Idee dahinter kennen wir aus unserem Alltag. An anderer Stelle beschrieb ich schon den Dopplereffekt. Der ist dafür verantwortlich, dass ein auf uns zu fahrender Krankenwagen zunächst höher klingt, und ein sich entfernender wieder tiefer. Diesen Effekt gibt es auch beim Licht. Dort wurde er sogar zuerst gefunden. Objekte im All, z. B. Sterne oder Galaxien, die sich von uns weg bewegen, erscheinen uns etwas in das rote Lichtspektrum hinein verschoben, da ihre Lichtwellen genau wie die Schallwellen der Polizeisirene hier auf Erden auch, in die Länge gezogen werden. Zusätzlich verstärkt sich dieser Effekt im All bei großen Distanzen noch dadurch, dass sich der Raum selbst ausdehnt und die Teile des Universums auseinander treibt. Seit dem Urknall vor vierzehn Milliarden Jahren dehnt sich das Universum aus. Es kommt zwar bei relativ kleinen Distanzen vor, dass sich im All auch Objekte aufeinander zu bewegen, aber im allgemeinen strebt alles von einander weg. Man stelle sich Rosinen in einem aufgehenden Hefeteig vor.

Unsere Galaxie wird mit der Andromeda-Galaxie in vielen Milliarden Jahren beispielsweise verschmelzen, ob wohl sich das Weltall stets ausdehnt.
Die Andromeda-Galaxie ist unser galaktischer Nachbar und rast mit 402.00 Kilometer pro Stunde auf uns zu. Auch wenn das noch sehr lange dauert, hat diese neue Galaxie schon einen Namen, Mildromeda. Zugegeben, nicht sehr phantasievoll, aber es wird von uns sowieso bis da hin niemanden mehr geben, der diese Galaxie bei ihrem neuen Namen rufen wird. Diese Verschmelzung ist dadurch möglich, dass die beiden Galaxien sich so nahe stehen, dass die gegenseitige Anziehung durch ihre Gravitation gegen die allgemeine Ausdehnung des Alls überwiegt, aber zurück zum Licht der Begierde des JWST.

Spurensuche

Wenn sich nun im Grunde alles im All von uns weg bewegt, dann bedeutet das für dessen Licht, dass es aus dem sichtbaren Bereich in den unsichtbaren langwelligeren infraroten Bereich gedehnt wird. Und dieses um so mehr, desto mehr Zeit dem Objekt blieb, sich von uns, vom „Ursprung“ des Universums zu entfernen. Die ersten Sterne oder Galaxien, die vor fast vierzehn Milliarden Jahren entstanden, leuchten somit für uns nicht mehr im sichtbaren Licht, obwohl deren Sterne dies an sich durchaus tun. Es gibt also Objekte im All, die aufgrund ihrer zunehmenden Entfernung und ihres Alters nur noch im infraroten Licht als Wärmequellen aufgespürt werden können. Da haben wir hier auf der Erde aber verloren. Diese Wärmequellen können wir wegen unserer Atmosphäre nicht mit irdischen Teleskopen messen. Man muss sich somit schon aus der Komfortzone der uns schützenden Luft bequemen, um hier etwas sehen zu können. Infrarote Himmelsobjekte auf der Erde zu beobachten ist ungefähr so, als würde man versuchen, in praller Sonne Sterne zu schauen. Also machte sich die Menschheit auf, um mit dem neuen JWST diese uralten im infraroten Licht strahlenden Objekte aufzuspüren. Das im sichtbaren Licht schauende Hubble-Teleskop bewegt sich so etwa in einer Höhe um 600 Kilometer um die Erde. Aus diesem Grunde konnte man es damals mit den Shuttles erreichen und fünf mal reparieren und technisch überholen. Beim JWST ist das anders. Dort, wo es sich jetzt befindet, etwa 1,5 Millionen Kilometer hinter der Erde, kann die Menschheit bisher nicht hin fliegen um es zu warten. Es befindet sich nun am sog Lagrange-Punkt 2. Über diese besonderen Punkte schrieb ich in Parken im All.
Dennoch hat man für den Fall, dass wir am Ende seines Lebens vielleicht doch so weit sein könnten, um es für eine Überholung zu besuchen, schon mal einen Tankdeckel eingebaut, um es eventuell neu zu betanken.

Das JWST könnte in so einer geringen Entfernung zur Erde wie das Hubble, überhaupt nichts erforschen, weil es permanent in der infraroten Wärmestrahlung sowohl der Erde, als auch der Sonne baden würde. Aus diesem Grund brachte man es an einen sicheren Ort weit weg von der störenden Wärme der Erde in ihren Schatten an den erwähnten sicheren Lagrange-Punkt 2.Der Erdschatten soll das Teleskop von der Sonne schützen, die es ja auch aufwärmen würde. Und damit nicht genug. Etwas Sonne braucht das Gerät ja doch, denn ohne Strom geht auch im All nichts. Aus diesem Grunde wendet uns das Teleskop seinen Tennisplatz großen Schutzschild zu. Er soll verhindern, dass die Instrumente sich erwärmen, denn dann würden die nur ihre eigene Wärme messen und die infraroten Himmelsobjekte übersehen. Wir merken schon. Infrarotmessung geht nur in sehr kalter Umgebung. Die Wärme der gesuchten Objekte hebt sich nur gering gegen das an sich kalte Weltall ab. Eines der drei Instrumente auf dem WST muss sogar noch zusätzlich mit Helium gekühlt werden, damit seine Arbeitstemperatur stets einige Grad über dem absoluten Nullpunkt, der ungefähr bei minus 273 Grad C. liegt, bleibt. Neben dem Treibstoff, den das Teleskop zur Bahnkorrektur benötigt und , der dem Teleskop irgendwann ausgehen wird, ist der Verbrauch des Kühlmediums ein begrenzender Faktor für das Leben des Instrumentes.

Wenn also das JWST nun den Himmel nach derart alten Objekten durchmustert, die kurz nach dem Urknall entstanden sind, dann dürfen wir hoffen, vieles darüber zu erfahren, was am Anfang geschah.

Wünschen wir also dem James-Webb-Space-Teleskop alles gute und dass es uns durch die Messung des unsichtbaren Lichts viel neue Klarheit und Licht in das Dunkels des Anfanges des Universums bringen wird.

Weiterführendes

Wer sich genauer für das Webb-Space-Teleskop interessiert, findet im

• Podcast @Weltraumwagner eine sehr spannende und hörenswerte Folge dazu.
• Auch im Podcast @Raumzeit wird das JWST in Folge 93 sehr ausführlich und detailliert behandelt.
• in SWR2-Wissen findet sich eine schöne Sendung über den Start des JWST.
• und natürlich im Podcast#“Das Universum“ findet sich eine weitere äußerst spannende Folge dazu.
• Empfehlen kann ich hier auch noch den Podcast der Spektrum der Wissenschaft

In all diesen Beiträgen und Sendungen finden sich Beiträge und Interviews dazu, die das Ding deutlich besser beschreiben, als ich es je könnte. Wen das mit der Verschmelzung von Galaxien und der Ausdehnung des Alls näher interessiert, darf ich das neue Buch von Rut Grützbauch „Per Lastenrad durch die Galaxis“ wärmstens ans Herz legen. Es gibt es bei Audible bereits als Hörbuch von der Autorin persönlich aufgesprochen.