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Das erste Beobachtungsjahr des James-Webb-Weltraumteleskops verspricht, Atmosphären und Oberflächen von Exoplaneten, junge Galaxien und vielleicht sogar die ersten Schwarzen Löcher zu enthüllen.

Webbs erstes Bild, das am Montag, dem 11. Juli, enthüllt wurde, zeigt Tausende von Galaxien in einem winzigen Fleck am Himmel, der ungefähr so ​​groß ist wie ein Sandkorn, das auf Armeslänge entfernt gehalten wird. Viele dieser Galaxien sind Teil eines massereichen Haufens namens SMACS 0723. Das Gewicht dieser Galaxien und die dunkle Materie um sie herum linsen weit entferntere Hintergrundgalaxien, vergrößern sie und verzerren ihre Formen. Das Bild wurde in vier Infrarot-Wellenbändern aufgenommen, deren Farben für uns sichtbar in den sichtbaren Bereich verschoben wurden. NASA / ESA / CSA / STScI

Am Montag und Dienstag, dem 11. und 12. Juli, veröffentlichte das Team des James Webb Space Telescope die lang erwarteten ersten Bilder des Observatoriums. Von einem jupitergroßen Planeten in nur 1.150 Lichtjahren Entfernung bis hin zu Galaxien im frühen Universum stellen die Bilder die Spitze des Eisbergs dar – wir können uns auf so viel mehr freuen.

In seinem ersten Jahr wird Webb 6.000 Stunden Beobachtungen machen, was 250 Tagen ununterbrochener kosmischer Offenbarung entspricht. Mehr als die Hälfte dieser Zeit entfällt auf kleine Programme, die jeweils höchstens 25 Stunden erhalten. Bis zum Ende des ersten Jahres werden wir Tausende von Zielen – von Kometen über Planeten bis hin zu fernen Galaxien – mit beispielloser Infrarotbildgebung und Spektroskopie haben.

Hier ist, was uns das erste Jahr der Beobachtungen sagen könnte, aus der Perspektive einer Auswahl von Wissenschaftsprogrammen in der Warteschlange.

Nähern Sie sich den Lavawelten

Dieses Video zeigt eine künstlerische Darstellung der Supererde 55 Cancri e, die sich vor ihrem Mutterstern bewegt.ESA / Hubble, M. Kornmesser

Siebzig der akzeptierten Vorschläge konzentrieren sich auf Exoplaneten, viele davon auf einzelne Ziele, die von heißen Jupitern über „Super-Puffs“ (Gasriesen, die größer sind, als sie sein sollten) bis hin zu heißen Gesteinswelten reichen.

Zu Letzteren gehört die Lavawelt 55 Cancri e. Der Planet hat die Masse von 8 Erden und umkreist einen sonnenähnlichen Stern, 100-mal näher als die Erde an der Sonne. Obwohl sie 2004 entdeckt wurde, wissen wir immer noch vieles nicht über diese fremde Welt. Ist es nackter Fels oder wird es von einer wirbelnden Atmosphäre umhüllt? Und wenn es nackt ist, könnte es immer noch verdampfte Mineralien enthalten, die von seiner Magmaoberfläche freigesetzt werden? Ist es gezeitengebunden und zeigt seiner Sonne nur ein Gesicht, oder überlappt seine Rotation seine Umlaufbahn in einer 3:2-Resonanz wie die von Merkur?

Dies sind die Fragen, die Alexis Brandeker (Universität Stockholm, Schweden) und seine Kollegen mit etwas mehr als einem Dutzend Stunden Webb-Beobachtungen zu beantworten versuchen, die er im November erwartet.

Eine nackte, felsige Welt hätte wie die Erde eine Silikatkruste, aber 55 Cancri e ist so glühend heiß, dass diese Silikate tagsüber von ihrer geschmolzenen Oberfläche verdampfen und nachts als Lavaregen auf die Oberfläche zurückfallen würden. Webb wird ein Spektrum des dünnen Dampfstreifens aufnehmen, der den Planeten umgibt, was sichtbar wird, wenn der Planet vor seinem Stern vorbeizieht. Mehrere Spektren konnten das Siliziumoxid-Gas auf der Tagesseite und die Siliziumdioxid-Kristalle, die am Abend fallen, nachweisen.

Wenn der Planet andererseits eine Atmosphäre hat, wird Webb eine spektrale Signatur sehen, die stattdessen hilft, diese gasförmige Hülle zu untersuchen. Die Charakterisierung von Oberflächen und Atmosphären wird Webbs Hauptbeitrag im ersten Jahr sein, sagt Brandeker.

„Ich freue mich darauf, mit JWST wunderschöne Spektren einer ganzen Reihe von Exoplaneten zu sehen!“ stimmt Caroline Morley (University of Texas, Austin) zu, die an einem Vorschlag zur Beobachtung eines anderen heißen felsigen Exoplaneten, LHS 3844b, beteiligt war. „Wir werden detaillierte neue Dinge über größere Planeten (in der Größe von Jupiter und Neptun) erfahren, einschließlich ihrer atmosphärischen Zusammensetzung und ihres Klimas. Bei kleineren, felsigen Planeten wie LHS 3844b bin ich besonders gespannt, wie die Zusammensetzung der Oberfläche aussieht.“

Die Animation dieses Künstlers zeigt den Exoplaneten LHS 3844b, der die 1,3-fache Masse der Erde hat und einen Stern der M-Klasse umkreist.NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (IPAC)

Im Gegensatz zu 55 Cancri e ist LHS 3844b mit ziemlicher Sicherheit nackter Fels. Morley, Teamleiterin Laura Kreidberg (Max-Planck-Institut für Astronomie, Deutschland) und Kollegen werden es mit einer Technik namens Emissionsspektroskopie untersuchen. Das bedeutet, dass das Licht, das Webb einfangen wird, vom Planeten selbst stammt – etwas, das bei Infrarotwellenlängen machbarer wird, in denen Sterne weniger hell leuchten.

„Mit JWST werden wir tatsächlich in der Lage sein, den Unterschied zwischen einem verfestigten Magmaozean (ultramafisch), einer vulkanischen Oberflächenerneuerung (Basalt – denken Sie an Hawaii!) oder einer granitreicheren Oberfläche zu erkennen“, sagt Morley. „Dies ist eines der besten Ziele für diese Art von Beobachtungen.“

Ferne Galaxien erreichen

Sie haben vom Hubble Deep Field gehört, einem langen Blick in den schwarzen Raum zwischen den Sternen, der Hunderttausende von Galaxien enthüllte. Webb soll den Blick erweitern.

Unscharfe Punkte und kleine Spiralen auf einem schwarzen FeldDas Hubble Ultra Deep Field, das Beobachtungen umfasst, die zwischen 2003 und 2004 gemacht wurden, enthält fast 10.000 Galaxien. Webbs erstes Deep Field, oben, verrät bereits weit mehr.NASA / ESA / S. Beckwith (STScI) und das HUDF-Team

Der Vorschlag zur Durchführung der Deep Extragalactic Exploratory Public (DEEP)-Umfrage der nächsten Generation unter der Leitung von Steven Finkelstein (University of Texas, Austin) sieht über 120 Stunden vor, um denselben Bereich des Himmels anzupeilen, der von Hubbles tiefem und ultra- tiefe Felder. Wenn Webb durch Raum und Zeit zurückblickt, wird das Bild letztendlich den größten Teil der kosmischen Zeit umfassen, von 400 Millionen Jahren nach dem Urknall bis fast 6 Milliarden Jahre später. In bestimmten Regionen könnte Webb Galaxien aus einem noch jüngeren Universum enthüllen.

„Wir haben Galaxien zu 97 % auf dem Weg zurück zum Urknall gesehen“, sagt Dan Coe (Space Telescope Science Institute). „Ich freue mich sehr darauf, endlich Objekte zu sehen, die während der fehlenden ersten 3 %, der ersten 400 Millionen Jahre des Universums, existierten.“

Darüber hinaus wird Webb nicht nur die großen Galaxien sehen, sondern auch die Zwerggalaxien mit weniger Gewicht als die Magellanschen Wolken, viel kleiner als das, was Hubble einfangen könnte. Diese Empfindlichkeit ermöglicht es Astronomen, die Galaxienentwicklung in all ihren Stadien zu untersuchen. Die Daten werden auch Spektroskopie enthalten, ein leistungsfähiges Werkzeug, um festzustellen, wie viele und welche Arten von Sternen sich im Laufe der kosmischen Zeit bilden.

„NGDEEP ist sofort öffentlich und tritt in die Fußstapfen der Hubble-Deep-Field-Programme, die es der Community ermöglichen, die Leistungsfähigkeit von Webb zu erkunden, wenn sie an ihre Grenzen stößt“, schreiben Finkelstein und Kollegen.

Andere Vorschläge konzentrieren sich auf einige der am weitesten entfernten bekannten Galaxien. Diese von Hubble entdeckten Galaxien werden Webbs Instrumenten zusätzliche Details liefern. Coe beispielsweise führt Beobachtungen an, die auf das galaktische Kind namens MACS 0647-JD abzielen. Ein Gravitationscluster, der im Vordergrund liegt, wirkt wie eine riesige kosmische Linse, um sein Licht zu verstärken und von Menschenhand hergestellte Teleskope zu unterstützen. Aber Hubble konnte selbst mit Hilfe dieser kosmischen Linse die Galaxie nicht auflösen, was bedeutet, dass sie wirklich winzig ist – weniger als 300 Lichtjahre im Durchmesser. Im Vergleich dazu ist die Milchstraße 100.000 Lichtjahre groß und selbst ihre Satelliten, die Magellanschen Wolken, haben eine Ausdehnung in der Größenordnung von einigen tausend Lichtjahren. Diese Protogalaxie ist damit etwa so groß wie eine einzige Sternentstehungswolke in einer modernen Galaxie.

Coe und Kollegen erwarten, dass Webb diese winzige Protogalaxie tatsächlich auflöst, die Strukturen darin erkennt und Licht auf die frühe Ära der Sternen- und Galaxienbildung wirft. „Ist das ein Baustein zukünftiger Galaxien? Wir bezweifeln es! Wir haben viel kleinere Strukturen in Galaxien bis hinunter zu Sternhaufen mit einem Durchmesser von einem Parsec gesehen“, sagt Coe. „Das wollen wir sehen: Bestehen die ersten Galaxien aus vielen kleinen Klumpen?“

Scheibe aus Gas, umgeben von einer Gaswolke, mit einem schwarzen Loch in der MitteDie künstlerische Darstellung zeigt eine Möglichkeit, ein supermassereiches Schwarzes Loch zu säen, indem eine Gaswolke direkt in ein Schwarzes Loch kollabiert, das die Masse von Tausenden von Sonnen enthält. NASA/CXC/M.Weiss

Webbs außergewöhnliche Sensibilität ist der Schlüssel zu einem weiteren wissenschaftlichen Ziel: der Identifizierung der Keime der supermassereichen Schwarzen Löcher, die heute im Zentrum fast jeder großen Galaxie sitzen. Ein Vorschlag zielt darauf ab, sie direkt zu finden, nachdem gasfressende Kandidaten anhand ihrer Röntgenemission identifiziert wurden, während andere Vorschläge darauf abzielen, die Mechanik bereits entdeckter Schwarzer Löcher mehrere hundert Millionen Jahre nach dem Urknall besser zu verstehen.

Das ferne Universum ist nicht der einzige Bereich für Webb: Es gibt 22 Vorschläge, die sich auf Kometen, Gasriesen und transneptunische Körper in unserem Sonnensystem konzentrieren, und weitere 42, die auf Braune Zwerge, planetarische Nebel und andere Aspekte der Sternentwicklung abzielen.

Jedes der Hunderte von Programmen, die in Webbs erstem Jahr durchgeführt werden, umreißt revolutionäre Wissenschaft. Aber natürlich wissen wir nicht, was wir nicht wissen, und in jedem der akzeptierten Vorschläge gibt es Möglichkeiten, die wir uns nicht einmal vorgestellt haben. Es wird ein spannendes Jahr für die Astronomie!


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