Wie Weltraumteleskope funktionieren: Spiegel, Wellenlängen und die Beobachtung der kosmischen Geschichte

Jedes Weltraumteleskop erfüllt die gleiche grundlegende Aufgabe: Möglichst viel Licht von einer schwachen, fernen Quelle zu sammeln und es auf einen Detektor zu fokussieren. Wie dieses Licht gesammelt wird und welche Wellenlängen erfasst werden können, hängt vom Design der Spiegel und vom Standort des Teleskops im Weltraum ab, wie ein Überblick der NASA über die Teleskopwissenschaft erklärt.

Warum ein Teleskop überhaupt ins All bringen?

Bodengestützte Teleskope schauen durch die Erdatmosphäre, wo sich verschiebende Luftmassen eingehendes Licht verzerren — derselbe Effekt, der Sterne zum Flimmern bringt. Wie NASAs Hubble-Seite erklärt, verschwimmt diese Bewegung Bilder, die vom Boden aufgenommen werden, und die Atmosphäre absorbiert auch den Großteil der ultravioletten und Infrarotstrahlung, bevor sie die Oberfläche erreicht.

Indem Hubble etwa 480 Kilometer über der Erde umkreist, vermeidet es dieses atmosphärische Verschwimmen und kann Objekte etwa zehnmal schwächer erkennen als vergleichbare Bodenteleskope, wie die NASA angibt. Weltraumteleskope können auch kontinuierlich beobachten, ohne dass Wetter, Tageslicht oder Lichtverschmutzung durch Städte stört.

Spiegel, nicht nur Linsen

Frühe Teleskope verwendeten Glaslinsen zum Ablenken von Licht, ein Design namens Refraktor. Wie NASAs Teleskope-101-Erklärer anmerkt, werden große Linsen schwer und sind schwer zu starten, daher sind die meisten modernen Teleskope Reflektoren, die stattdessen gekrümmte Spiegel verwenden, da Spiegel für die gleiche Größe dünner und leichter hergestellt werden können.

Bei einem typischen Reflektor-Design trifft Licht auf einen großen primären Spiegel mit parabolischer Form und springt zu einem kleineren sekundären Spiegel. Beim James Webb Space Telescope fügt NASAs Beschreibung von Webbs Spiegeln zwei weitere Schritte hinzu: Licht vom sekundären Spiegel wird zum konkaven tertiären Spiegel und dann zu einem flachen Feinjustierungsspiegel reflektiert, bevor es schließlich die wissenschaftlichen Instrumente erreicht.

Verschiedene Teleskope, verschiedenes Licht

Sichtbares, ultraviolettes und infrarotes Licht können alle mit ähnlichen Spiegelformen, aber unterschiedlichen Beschichtungen fokussiert werden. Webbs 18 sechseckige primäre Spiegelsegmente, hergestellt aus Berylliummetall und mit einer 100-Nanometer-Schicht aus Gold beschichtet, sind speziell dafür ausgelegt, infrarotes Licht effizient zu reflektieren, wie NASAs Beschreibung von Webbs Spiegeln besagt. Hubble dagegen ist dafür konzipiert, ultraviolettes, sichtbares und nahes Infrarotlicht zu sammeln, sagt die NASA.

Röntgenstrahlen verhalten sich anders: Sie würden einfach durch einen gewöhnlichen Spiegel eindringen oder absorbiert werden, ähnlich wie Kugeln auf eine Wand treffen, erklärt das Chandra X-ray Center an der Harvard-Universität. Die Spiegel von Chandra sind stattdessen wie verschachtelte zylindrische Fässer geformt und mit Iridium beschichtet, reflektieren Röntgenstrahlen nur bei einem flachen 'Streifwinkel' und nicht frontal, sagt das Center. Chandra verwendet vier verschachtelte Spiegelpaare, insgesamt acht Spiegel, poliert und auf 1,3 Mikrometer ausgerichtet.

Gammastrahlen sind noch energiereicher und durchdringen konventionelle Optik völlig. Die NASA vermerkt, dass Gammastrahlen-Teleskope wie Fermi stattdessen Detektoren verwenden, die Teilchen verfolgen, die entstehen, wenn Gammastrahlen auf dichtes Material wie Wolfram treffen, und sie rekonstruieren den Ursprung des Strahls aus diesen Teilchenspuren, anstatt die Strahlen mit einem Spiegel zu fokussieren.

Warum der Standort wichtig ist: Webbs entfernter Orbit

Webb umkreist die Erde nicht in der Nähe wie Hubble. NASAs Missionsseite besagt, dass Webb die zweite Sonne-Erde-Lagrange-Position, L2, umkreist, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, und etwa alle sechs Monate einen Umlauf abschließt. An diesem Ort bleiben Sonne, Erde und Mond auf einer Seite des Raumfahrzeugs, so dass Webbs Sonnenschutz in Größe eines Tennisplatzes deren Wärme und Licht kontinuierlich blockieren kann.

Dieser Schutz ist essentiell, weil Webb Infrarotlicht beobachtet, das im Wesentlichen Wärme ist. Die NASA gibt an, dass das Teleskop bei extrem kalten Temperaturen arbeitet — etwa minus 223 Grad Celsius nach Webbs Orbitseite — damit jegliche Wärmestrahlung von der Sonne oder Erde die Detektoren nicht mit Infrarotrauschen überflutet und die schwachen Signale von fernen Galaxien überwältigt.

Die Vergangenheit sehen, nicht nur die Ferne

Da Licht mit konstanter, endlicher Geschwindigkeit reist, bedeutet das Blicken weiter in den Weltraum, weiter zurück in die Zeit zu schauen. NASAs Wissenschaftsübersicht zu Webb besagt, dass das Teleskop Infrarotlicht von Galaxien erfassen kann, die mehr als 13,5 Milliarden Lichtjahre entfernt sind — das heißt, das heute erfasste Licht verließ diese Galaxien vor mehr als 13,5 Milliarden Jahren, als das Universum jung war. Durch Beobachtung des Lichts sieht man das Objekt effektiv so, wie es zu dem Zeitpunkt existierte, als das Licht es verließ, nicht wie es heute aussieht.

Webb trägt vier wissenschaftliche Instrumente zur Analyse dieses alten Lichts: NIRCam und NIRSpec für Nah-Infrarot-Abbildung und Spektroskopie, MIRI für Mittel-Infrarot-Beobachtungen und einen Feinjustierungssensor, der mit dem NIRISS-Instrument gekoppelt ist, laut NASAs Teleskopübersicht.

Vom Spiegel zum Bild auf der Erde

Moderne Weltraumteleskope verwenden keine fotografischen Filme. NASAs Erklärung zur Funktionsweise von Teleskopen besagt, dass Licht, das von den Spiegeln fokussiert wird, auf elektronische Detektoren fällt, die es in digitale Signale umwandeln. Diese Signale werden von Bordcomputern gespeichert und an Bodenempfangsstationen auf der Erde übertragen, wo Wissenschaftler die Daten in die Bilder rekonstruieren, die der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden.