Das James-Webb-Weltraumteleskop (engl.: James Webb Space Telescope, abgekürzt JWST oder Webb) ist ein Weltraumteleskop für die Infrarotastronomie.
Es wurde ab 1996 als gemeinsames Projekt der Weltraumagenturen NASA (USA), ESA (Europa) und CSA (Kanada) entwickelt und kann als wissenschaftlicher Nachfolger der Weltraumteleskope Hubble und Spitzer betrachtet werden. Das JWST startete am 25. Dezember 2021 und erreichte zum 24. Januar 2022 eine Umlaufbahn um den etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernten Lagrange-Punkt L2 (von Erde und Sonne). Die ersten Bilder des JWST wurden der Öffentlichkeit am 11. und 12. Juli 2022 präsentiert.
Spektralbereich Das JWST untersucht Licht mit Wellenlängen von 0,6 bis 28 μm, das heißt vom roten Teil des sichtbaren Lichts (dieses reicht insgesamt von 0,38 bis 0,78 μm) bis ins mittlere Infrarot (dieses reicht insgesamt von 0,78 bis 1000 μm). In diesem Bereich liegt die Wärmestrahlung kühlerer Objekte mit Temperaturen bis herunter zu einigen hundert Kelvin. Infrarotstrahlung durchdringt interstellare Gaswolken besser als sichtbares Licht. Das sichtbare Licht aus weit entfernten und damit auch frühen Regionen des Universums wird durch die kosmologische Rotverschiebung in diesen Bereich verschoben.
Das JWST reagiert teilweise einhundertmal so empfindlich auf elektromagnetische Wellen wie das Hubble-Teleskop. Die technische Präzision ermöglicht es dem JWST, neue Blicke ins Sonnensystem zu werfen, ins Innere von Sternentstehungsgebieten zu schauen und die chemische Zusammensetzung der Atmosphären von Exoplaneten detaillierter zu analysieren.
Aufgaben Das JWST hat vier wissenschaftliche Hauptaufgaben:Pressemappe der ESA zum James-Webb-Weltraumteleskop Die Suche nach den ersten leuchtenden Objekten und Galaxien, die nach dem Urknall und dem darauf folgenden dunklen Zeitalter vor 13,5 Milliarden Jahren entstanden sind. Verbesserung des Verständnisses der Strukturbildungsprozesse im Universum. Die Untersuchung der Entstehung – und Weiterentwicklung – von Galaxien, Schwarzen Löchern, Sternen und Planetensystemen, insbesondere die Erforschung von protoplanetaren Scheiben. Untersuchung von Exoplaneten, ihrer Atmosphäre und etwaiger Eignung für Leben. mini|Zur Erforschung von manchen Objekten bietet die Messung des Infrarotbereichs deutliche Vorteile
Die Primärmission war für fünf Jahre, mit einer Verlängerung auf mindestens zehn Jahre, geplant. Da die Flugbahn beim Start weit genauer als erforderlich getroffen wurde und alle Brennphasen zum optimalen Zeitpunkt und mit dem bestmöglichen Ergebnis erfolgten, bleibt mehr Treibstoff übrig als erwartet. Daher kann der Betrieb weit länger als zehn Jahre aufrechterhalten werden.
Die Exoplaneten, welche das JWST untersuchen soll, werden zuvor u. a. vom TESS-Weltraumteleskop aufgespürt.
Entwicklung, Finanzierungen, Startverschiebungen mini|hochkant|Poster der Webb-Mission Die NASA, die ESA und die CSA begannen die Kooperation zur Entwicklung des Weltraumteleskops 1996 unter der Bezeichnung Next Generation Space Telescope. Es sollte 2007 gestartet werden. Später war der Start 2014 mit einer Ariane 5 geplant. Der Anteil der Beteiligung der ESA für die Konstruktion und Inbetriebnahme wurde 2003 durch die Mitgliedstaaten bestätigt. Im Jahr 2007 trafen die NASA und die ESA eine offizielle Vereinbarung.ESA Science & Technology: Europe’s Contributions to the JWST Mission Das letzte Segment des Hauptspiegels verließ am 7. Februar 2007 die Fertigung als Rohling, um geschliffen und poliert zu werden.
Für Bau und einen zehnjährigen Betrieb waren die notwendigen 3,3 Milliarden Euro durch die NASA zunächst gesichert. Aufgrund enorm gestiegener Kosten empfahl der Wissenschaftsausschuss des US-Repräsentantenhauses jedoch am 13. Juli 2011, den Bau zu stoppen. Die Baukosten wurden nun von der NASA auf 8,7 Milliarden US-Dollar geschätzt.cris: 8,7 Milliarden Dollar In: Süddeutsche Zeitung. München 24. August 2011, S. 16. Es waren bereits etwa drei Milliarden US-Dollar (2,6 Milliarden Euro) ausgegeben. Etwa 75 % der Komponenten waren beschafft, auch die meisten wissenschaftlichen Instrumente. Alle Elemente des Primärspiegels waren fertiggestellt. Ende 2014 galt die Finanzierung einschließlich der Betriebskosten für die ersten fünf Jahre wieder als gesichert. Ein Start wurde ab 2018 erwartet.
Im November 2015 begann die Endfertigung. Bis Anfang Februar 2016 wurden die 18 Segmente des Primärspiegels installiert. Im November 2016 konnten am Spiegel erste Messungen der optischen Eigenschaften durchgeführt werden. Am 18. Dezember 2015 wurde der Liefervertrag für die Ariane-5-Rakete unterzeichnet. Der Flug war nun für Frühjahr 2019 geplant und wurde dann auf Mai 2020 verschoben, da Qualitätsmängel auffielen, vor allem an den Steuertriebwerken und beim Entfalten des Sonnenschildes. Mehrfach zerrissen Folien des Sonnenschildes. Bei einem Schütteltest fielen Schrauben und Unterlegscheiben aus dem Teleskop. Im Jahr 2018 wurden die Gesamtkosten der Mission auf 9,66 Milliarden US-Dollar geschätzt, davon 8,8 Milliarden US-Dollar an Entwicklungskosten.
Vor dem Start folgten Verschiebungen unter anderem, weil nach dem Transport zum Weltraumbahnhof ein Klemmband locker war und wegen unpassenden Wetters. Bis Dezember 2021 erreichten die Kosten 9,7 Milliarden US-Dollar. Es handelt sich damit um das teuerste wissenschaftliche Projekt in der unbemannten Raumfahrt.Dirk Asendorpf: Das 10-Milliarden-Dollar-Experiment auf www.zeit.de, 1. Juni 2021, Print 2. Juni 2021, editiert 6. Juni 2021. Kostenpflichtig.
Die ESA trägt rund 300 Millionen Euro bei, anteilig getragen von Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Großbritannien, Irland, Italien, Luxemburg, den Niederlanden, Norwegen, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, der Schweiz und Tschechien. Darin sind die Startkosten der Ariane-5-Rakete, das NIRSpec-Instrument, die optische Bank für das MIRI-Instrument und Personal (Astronomen der ESA) im Missionszentrum (Space Telescope Science Institute) in Baltimore enthalten. Insgesamt rechnet die ESA für den eigenen Anteil mit Kosten im Rahmen einer Medium-(M-Klasse)-Mission. ESA-Astronomen erhalten daher mindestens 15 % der Beobachtungszeit zugeteilt.
Die kanadische CSA stellt den Fine-Guidance-Sensor und den Near-Infrared-Imager-Slitless-Spektrographen sowie Personal zum Betrieb des Teleskops bereit., Canadian Space Agency, 30. Juli 2012
Missionsverlauf Startvorbereitung mini|Das Ziel der Reise: der äußere Lagrange-Punkt L2 von Sonne-Erde
Im Sommer 2021 wurde das Teleskop in Long Beach bei Northrop Grumman letzten Tests unterzogen und in einen Spezialbehälter verpackt, der einen transportablen Reinraum darstellte. Ende September 2021 wurde es auf das Schiff MN Colibri verladen, das zum Raumfahrtzentrum Guayana bei Kourou auslief. Damit Piraten das Schiff nicht kaperten, um Lösegeld zu erpressen, und um Sabotageakte zu verhindern, wurden Details über den Transport nicht medial verbreitet. Ein Transport im Flugzeug kam nicht infrage, da in Französisch-Guayana die Brücken zwischen Flughafen und Startbasis für solch schwere Lasten nicht ausgelegt sind. Am 12. Oktober kam das Teleskop am Hafen Pariacabo bei Kourou an.
Die Nutzlastverkleidung der Ariane-5-Trägerrakete wurde für das Teleskop modifiziert, weil bei vorherigen Starts der Rakete potenziell schädliche Vibrationen auffielen. Die Nutzlastverkleidung hatte nun 28 Entlüftungsöffnungen, um den Druckausgleich während der Startsequenz zu gewährleisten. Das Teleskop wurde für den Transport in der Rakete zusammengefaltet. Die Gesamtmasse betrug beim Start mit Treibstoff etwa 6,2 Tonnen. Der Schwerpunkt des zusammengefalteten Teleskops lag nicht auf der Rotationsachse der Rakete; zum Ausgleich musste Ballast mitgeführt werden.
Start, Entfaltung und Reise zu L2 mini|Von der abgetrennten Raketenstufe aufgenommenes Foto des zusammengefalteten JWST (Bodenansicht). Im Hintergrund die Erde mit dem Golf von Aden.
Die Ariane-Rakete startete am 25. Dezember 2021 um 12:20 UTC vom Raumfahrtzentrum Guayana in Französisch-Guayana. Beide Raketenstufen brachten das Teleskop auf Geschwindigkeit, mit Kurs auf den 1,5 Millionen Kilometer entfernten Lagrange-Punkt L2 von Erde und Sonne. Die modifizierte Ariane ging nach dem Abstoßen der Verkleidung, drei Minuten nach dem Start, in eine langsame Rotation über, um Webb vor einer einseitigen Sonnenbestrahlung und Überhitzung zu schützen. Zehn Minuten nach dem Start wurde die Hauptstufe abgetrennt und das Teleskop befand sich weitere 17 Minuten an der kryogenen ESC-A-Oberstufe, ehe es sich auch von dieser löste.Etage Supérieur Cryotechnique Type A, siehe Ariane 5#Ariane 5 ECA Vom Start bis zur Abtrennung von der Trägerrakete hatte die französische Raumfahrtagentur CNES die Ariane 5 von Bodenstationen in Kourou, auf der Insel Ascension (im Südatlantik), in Natal (Brasilien), Libreville (Gabun) und Malindi (Kenia) aus nachverfolgt. Unmittelbar nach der Abtrennung des JWST von der ESC-A-Oberstufe der Ariane 5 übernahm ESTRACK, das Tracking-Bodenstationsnetzwerk der ESA, und verfolgte das JWST durch die frühe Orbitphase hindurch. Hierfür wurden die ESA-Bodenstation in Malindi (Kenia) und das Stationsnetzwerk der NASA genutzt. 31 Minuten nach dem Start öffneten sich die Solarpaneele zur Energieversorgung.
Zum Zeitpunkt der Abschaltung des Triebwerks der ESC-A-Oberstufe hatte das JWST seine größte Geschwindigkeit von 9,90 km/s erreicht. Danach sank die Geschwindigkeit kontinuierlich, weil das JWST in der meisten Zeit ohne Antrieb in Gegenrichtung zu den Gravitationskräften von Sonne und Erde flog. Bereits nach wenigen Tagen war die Geschwindigkeit auf unter 1 km/s abgesunken.
Zwölf Stunden nach dem Start zündeten die Triebwerke für das MCC-1a (Mid-Course Correction) Manöver und feuerten über 65 Minuten für ein von 20 m/s. Mit dieser Schub-Korrektur („thrust correction“) wurde eine präzise Geschwindigkeitserhöhung erreicht. Da die Gesamtbeschleunigung der Ariane-Rakete aufgrund der großen Massen und großen Schubkraft nicht so präzise wie erwünscht eingestellt werden konnte, wurde sie absichtlich etwas zu gering gewählt. Für ein dadurch vermiedenes Bremsmanöver hätte sich die Sonde sonst um 180° drehen müssen, was die empfindlichen Instrumente dem Sonnenlicht ausgesetzt hätte und dazu hätte führen können, sie zu überhitzen und irreparabel zu beschädigen. Einen Tag nach dem Start wurden die beiden Richtantennen ausgefahren. Nach ungefähr zweieinhalb Tagen erfolgte am 27. Dezember eine neun Minuten und 27 Sekunden lange Brennphase MCC-1b mit einem von 2,8 m/s.
mini|Animation des Ablaufs der Entfaltung Die komplizierte Entfaltung des Sonnenschilds zog sich über mehrere Tage hin. 2,7 Tage nach dem Start wurden die beiden Hauptträger für das Sonnensegel ausgeklappt. Um das JWST nach dem Ausfahren der Hauptträger vor Instabilität wegen des Sonnenwindes zu schützen, wurden Trimmklappen an den Hauptträgern des Sonnenschilds ausgefahren. Am vierten Tag nach dem Start wurde das Teleskop angehoben, um es von den übrigen Teilen wie Antrieb und Versorgungseinheit thermisch abzukoppeln. Sechs bis sieben Tage nach dem Start wurden die Schutzhüllen der Folien geöffnet, die beiden teleskopischen Seitenmasten zum Entfalten des Sonnenschilds ausgeschoben und damit einhergehend der Sonnenschild entfaltet. Vom siebten bis zum zehnten Tag nach dem Start wurden die Folien gestrafft und separiert, so dass zwischen jeder Lage ein Zwischenraum zur Wärmeabfuhr entstand. Nach elf Tagen wurde der Sekundärspiegel ausgeklappt. Einen Tag später wurden die Kühlelemente der Instrumente hinter dem Primärspiegel ausgefahren. Am dreizehnten und vierzehnten Tag wurden die Seitenteile des Hauptspiegels in die Endposition ausgeklappt und verriegelt. Damit war die Entfaltung am 8. Januar 2022 abgeschlossen.