Kartierung des frühen Universums – Gespanntes Warten auf JWST

19. April 2021

Gespannt warten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler rund um den Globus auf den für Oktober geplanten Start des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST), dem Nachfolger des berühmten Hubble-Teleskops. Die Vorbereitungen diverser Beobachtungsprogramme zur Nutzung des neuen Flagschiffs laufen auch am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) auf Hochtouren. Ein Beispiel dafür ist das COSMOS-Webb-Programm – das größte Beobachtungsprogramm im ersten Betriebsjahr des JWST.

Der COSMOS-Webb-Survey wird 0,6 Quadratgrad des Himmels - etwa die Fläche von drei Vollmonden - mit der Nahinfrarotkamera NIRCam des JWST kartieren, während gleichzeitig ein kleinerer Bereich von 0,2 Quadratgrad mit MIRI im mittleren Infrarot untersucht wird.

Quelle: J. Kartaltepe/RIT; C. Casey/UT Austin; A. Koekemoer/STScI

Der COSMOS-Webb-Survey wird 0,6 Quadratgrad des Himmels - etwa die Fläche von drei Vollmonden - mit der Nahinfrarotkamera NIRCam des JWST kartieren, während gleichzeitig ein kleinerer Bereich von 0,2 Quadratgrad mit MIRI im mittleren Infrarot untersucht wird.

Quelle: J. Kartaltepe/RIT; C. Casey/UT Austin; A. Koekemoer/STScI

COSMOS-Webb dient der Kartierung der frühesten Strukturen des Universums. In einer aufwändigen Durchmusterung sollen dazu im Laufe von über 200 Beobachtungsstunden ca. 500.000 Galaxien mit hochauflösenden Bildern in verschiedenen Spektralbereichen des nahen Infrarots und 32.000 Galaxien im mittleren Infrarot beobachtet werden.

Geleitet wird das Programm von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Rochester Institute of Technology und der University of Texas in Austin, die in einer Pressemitteilung heute davon berichten (Link zur Pressemitteilung).
Auch das MPIA ist durch Knud Jahnke und seine Gruppe ein prominenter Vertreter des insgesamt 50-köpfigen internationalen Teams aus über 30 Instituten. COSMOS-Webb ist eines von mehreren wichtigen wissenschaftlichen Programmen rund um JWST, an denen das MPIA beteiligt ist und über die im Vorfeld des Starts noch berichtet werden wird – ebenso wie über die Beiträge des MPIA zum Bau der Instrumentierung des Weltraumteleskops.

„Als sogenanntes "Treasury"-Programm werden die Daten durch das Konsortium schnell auch öffentlich für andere Forschende zugänglich gemacht“, so Knud Jahnke .“Damit wird COSMOS-Webb über viele, viele Jahre eine kaum versiegende Quelle für Folgeuntersuchungen und Nachfolgebeobachtungen sein.“

COSMOS-Webb ist eines von nur 286 allgemeinen Programmen für das erste Forschungsjahr von JWST, die aus ca. 1000 Vorschlägen ausgewählt wurden. Basis ist die Durchmusterung eines Feldes von 0,6 Quadratgrad (3 x größere Fläche als der Vollmond) mit der Nahinfrarotkamera NIRCam und eines 0,2 Quadratgrad-Feldes mit dem MIRI-Instrument im mittleren Infrarot. Ein Ziel ist die Erforschung der ersten Sterne und der Vorstufen von Galaxien, die mit ihrer energiereichen Strahlung für die Reionisation des jungen Kosmos gesorgt haben.
Aber es gab erstaunlicherweise auch bereits sehr weit entwickelte Galaxien in dieser Frühzeit nur einige 100 Millionen Jahre nach dem Urknall, die ebenfalls beobachtet werden sollen. Und schließlich soll die Verteilung der Dunklen Materie und deren Rolle für die Strukturbildung im Kosmos mit Hilfe von „Weak Lensing“ weiter erforscht werden – in Fortsetzung der Entdeckungen zur Dunklen Materie des ursprünglichen, Hubble-basierten COSMOS-Survey.
Unter „Weak Lensing“ verstehen Astronomen die leicht verzerrten Bilder von Galaxien, die entstehen, wenn deren Licht durch die unsichtbare Masse dunkler Materie „verbogen“ wird und so die Verteilung dieser nach wie vor geheimnisvollen Materie kartiert werden kann.

Diese Künstlerillustration zeigt die wissenschaftlichen Möglichkeiten des JWST. Der große Spiegel, die Empfindlichkeit im nahen bis mittleren Infrarot und die hochauflösenden bildgebenden und spektroskopischen Fähigkeiten werden ermöglichen, nach den ersten Galaxien zu suchen, die Entstehung von Sternen zu erforschen und die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Planetensystemen, einschließlich unseres eigenen Sonnensystems, zu messen.

Quelle: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

Diese Künstlerillustration zeigt die wissenschaftlichen Möglichkeiten des JWST. Der große Spiegel, die Empfindlichkeit im nahen bis mittleren Infrarot und die hochauflösenden bildgebenden und spektroskopischen Fähigkeiten werden ermöglichen, nach den ersten Galaxien zu suchen, die Entstehung von Sternen zu erforschen und die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Planetensystemen, einschließlich unseres eigenen Sonnensystems, zu messen.

Quelle: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

Wenn alles klappt, wird das JWST am 31. Oktober 2021 mit einer Ariane-5-Rakete der ESA von Französisch-Guayana aus in den Weltraum starten. Das Teleskop mit einem Hauptspiegel von 6,5 Metern Durchmesser (Hubble: 2,4 Meter) ist ein Gemeinschaftsprojekt der Raumfahrtagenturen der USA, Europa und Kanada (NASA, ESA und CSA). Es wird etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt „stationiert“ und soll mindestens über 5 Jahre hinweg vorwiegend im Infrarotbereich zwischen 0,6 und 28 µm beobachten.

Fast alle Felder der Astrophysik werden von der gegenüber Hubble enorm gesteigerten Empfindlichkeit und Auflösung profitieren. JSWT wird sowohl fernste Galaxien und damit die Frühzeit des Universums untersuchen, als auch detaillierte Blicke auf neu entstehende Sonnensysteme und Exoplaneten in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße ermöglichen.

Das MPIA ist sowohl am Bau der Instrumente für JWST, als auch an mehreren wichtigen Beobachtungsprojekten beteiligt – teilweise auch in leitender Funktion. Darüber wird im Vorfeld des Starts im Herbst noch berichtet werden.