Wie Weltraumteleskope sehen, was Bodenobservatorien nicht sehen können

Licht von Sternen und Galaxien reist in vielen Formen durch das Universum, nicht nur in den sichtbaren Farben, die das menschliche Auge sehen kann. Ultraviolett-, Infrarot-, Röntgen- und Gammastrahlung tragen Informationen über heiße junge Sterne, kalte Staubwolken, explodierte Sterne und schwarze Löcher. Die Erdatmosphäre absorbiert oder verzerrt jedoch den Großteil dieses Lichts, bevor es den Boden erreicht, so NASA Science und die Europäische Weltraumorganisation (ESA).

Warum die Erdatmosphäre eine Barriere ist

Die ESA erklärt, dass die Atmosphäre zwei separate Probleme für die Infrarotastronomie schafft. Erstens absorbiert sie die meisten Infrarotwellenlängen vollständig und lässt nur einige wenige schmale Banden bodengestützte Teleskope erreichen. Zweitens leuchtet die Atmosphäre selbst im Infrarot und sendet oft mehr Strahlung aus als das schwache kosmische Objekt, das Astronomen untersuchen möchten, was das Signal im Rauschen vergräbt.

Die ESA merkt auch an, dass die Atmosphäre den Großteil der Hochenergie- und Ultraviolettstrahlung blockiert, einschließlich Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und der meisten Ultraviolettstrahlen. Die NASA merkt an, dass Chandra, ihr Röntgen-Observatorium, bis zu einer Höhe von etwa 139.000 Kilometern (86.500 Meilen) über der Erde umkreist – etwa 200-mal höher als Hubble – genau weil Röntgenstrahlen die Oberfläche nie erreichen.

Ein Teleskop über die Atmosphäre zu bringen oder weit weg von der Erde zu positionieren, beseitigt beide Probleme auf einmal: Es gibt keine Luft mehr, um das Licht zu absorbieren, und keinen atmosphärischen Glühen, um es zu ertränken.

Verschiedene Teleskope, verschiedenes Licht

Jedes große Weltraumobservatorium ist auf einen bestimmten Teil des Spektrums abgestimmt. Hubble, 1990 gestartet, beobachtet hauptsächlich ultraviolettes und sichtbares Licht (0,1 bis 2,5 Mikrometer) und umkreist die Erde etwa 300 Meilen (483 km) entfernt, noch erreichbar für gelegentliche Wartungsmissionen, so NASA Science. Das James-Webb-Weltraumteleskop, gestartet im Dezember 2021, ist für Infrarotlicht gebaut und sitzt viel weiter entfernt, in der Nähe des zweiten Lagrange-Punktes (L2), etwa eine Million Meilen von der Erde entfernt, wo seine eigene Wärmestrahlung und die Wärmestrahlung der Erde die schwachen Infrarotsignale, die es zu erkennen versucht, nicht beeinflussen können.

Der Primärspiegel von Webb misst 6,5 Meter (21,3 Fuß), im Vergleich zu Hubbles 2,4 Metern (7,9 Fuß), was ihm mehr als sechsmal die Lichtsammelfläche gibt. NASA Science gibt an, dass Webb Objekte bis zu 100-mal schwächer erkennen kann als Hubble sehen kann. Da die Expansion des Universums Licht von den entferntesten, frühesten Galaxien in Infrarotwellenlängen dehnt – ein Rotverschiebungs-Effekt – ermöglicht Webbs Infrarotemfindlichkeit ihm, weiter in die kosmische Zeit zurückzuschauen, als Hubbles Ultraviolett- und Sichtbar-Instrumente können.

Webb trägt spezielle Instrumente für verschiedene Infrarotbereiche. Die Nahinfrarotkamera (NIRCam) deckt 0,6 bis 5 Mikrometer ab und dient als Webbs primärer Nahinfrarot-Imager, so die NASA Science's Instrument-Seite. Das Mid-Infrarot-Instrument (MIRI) deckt 5 bis 28 Mikrometer ab und kombiniert eine Kamera, einen Spektrographen, der Licht in ein Spektrum aufteilt, um die Helligkeit bei jeder Wellenlänge zu messen, und einen Koronagraphen, der die Blendung eines Sterns blockiert, damit schwächere Planeten in der Nähe sichtbar sind. MIRI benötigt einen zusätzlichen Kryokühler, um kälter als der Rest des Observatoriums zu bleiben, damit seine Detektoren nicht durch Webbs eigene Restwärme geblendet werden.

Nicht jedes Weltraumobservatorium produziert Bilder. Die Gaia-Raumsonde der ESA, gestartet am 19. Dezember 2013 und in der Nähe von L2 stationiert, erstellt eine außergewöhnlich genaue dreidimensionale Karte von mehr als zwei Milliarden Sternen in der Milchstraße, wobei sie ihre Bewegungen, Leuchtkraft, Temperatur und Zusammensetzung verfolgt, so die ESA's Gaia-Missionsseite. Die ESA sagt, dass Gaia die Positionsgenauigkeit um den Faktor hundert im Vergleich zu seinem Vorgänger, dem Hipparcos-Satelliten, verbesserte; die Mission trat ihre Nachbetriebs-Phase ein, nachdem sie sich 2024 mit Sensor- und Mikrometeoriten-Problemen konfrontiert sah.

Am hochenergetischen Ende des Spektrums erkennt das Chandra-Röntgen-Observatorium der NASA, gestartet am 23. Juli 1999, Röntgenstrahlen von extrem heißen Phänomenen: explodierte Sterne, Galaxienhaufen und Material, das um schwarze Löcher wirbelt, so die Astrobiology-Missionsseite der NASA.

Die Teile zusammensetzen

Göran Pilbratt, der Projektforscher der Herschel-Mission der ESA, beschrieb den Wert der Infrarotbeobachtung speziell zum Studium der Entstehung von Sternen und Planeten: "Durch die Beobachtung im Infrarot können wir untersuchen, wie Dinge entstehen, die sehr frühen Schritte, denn Entstehungsprozesse finden sehr oft in kühlen und staubigen Orten statt", sagte er, so die ESA. Infrarotlicht durchdringt Staubwolken, die sichtbares Licht blockieren, und ermöglicht Instrumenten wie Webbs NIRCam und MIRI, neugeborene Sterne und Planeten zu sehen, die in Nebeln versteckt sind.

Da kein einzelnes Teleskop das gesamte Spektrum abdeckt, kombinieren Astronomen routinemäßig Daten von mehreren Observatorien. NASA Science beschreibt Hubble und Webb als ergänzende Partner statt als Rivalen: Webbs tiefere Infrarotsicht durchdringt Staub und Gas, während Hubbles sichtbare und ultraviolette Sicht Webbs Infrarotsicht ergänzt und zusammen breitere Sichten derselben Objekte erzeugt.