Forscher arbeiten am Filterrand für das James-Webb-Teleskop

Arbeit im Reinraum: MIRI ist ein kombiniertes Instrument aus Kamera und Spektrometer. Wichtige mechanische Komponenten wurden am Max-Planck-Institut für Astronomie entwickelt und gebaut. (Bild: Stephen Kill / STFC)

Am 12.7.2022 war es endlich soweit. Die NASA veröffentliche die sehnlichst erwarteten Bilder des James Web Space Telescops (JWST). Diese faszinierenden Aufnahmen haben zu ungläubigen Reaktionen weltweit gesorgt. Und das ist erst der Anfang. In den nächsten Jahren sollen noch viele Bilder folgen, die zum einen "einfach" nur schön anzusehen sind, aber darüber hinaus auf für die Wissenschaft eine riesige Quelle für weitere Forschungen rund um die Geheimnisse des Weltalls darstellen.

An Bord des Weltraumteleskops befindet sich eine Vielzahl von elektronischen Elementen, die für den Einsatz im Weltall geeignet sind. Darunter auch Komponenten, die am Max-Planck-Institut für Astronomie entwickelt und gebaut wurden. Darunter ist ein Filterrad, das die Mittel-InfraRot-Instrument (MIRI)-Kamera des Webb-Teleskops erst zu einem wissenschaftlichen Instrument macht, und mit dem Astronominnen und Astronomen einige der drängendsten Forschungsfragen beantworten wollen.

Zur Technik: Was leistet das MIRI im James-Webb-Teleskop?

Das Mittel-InfraRot-Instrument (MIRI) verfügt sowohl über eine Kamera als auch über einen Spektrographen, der Licht im mittleren Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums sieht, also mit Wellenlängen, die länger sind als unsere Augen sehen. Dabei deckt MIRI Wellenlängenbereich von 5 bis 28 µm (Mikrometern) ab. Mit seinen empfindlichen Detektoren kann es das rotverschobene Licht entfernter Galaxien, neu entstehender Sterne und schwach sichtbarer Kometen sowie von Objekten im Kuipergürtel erkennen. Die MIRI-Kamera wird Breitband-Bilder mit großem Bildfeld liefern. MIRI besteht aus drei Detektor-Arrays aus Arsen-dotiertem Silizium und eignet sich für direkte Bildgebung, Spektroskopie sowie koronagraphische Untersuchungen. Dabei hat MIRI eine sieben Mal höre Winkelauflösung als das Weltraumteleskop „Spitzer“ und ist auch etwa 50 Mal empfindlicher. Das Instrument ist dabei so empfindlich, dass es eine Kerze auf einem der rund 700 Millionen Kilometer entfernten Jupitermonde nachweisen könnte.

Animation zum James-Webb-Teleskop und dem MIRI (Mid-Infrared Instrument)

Für zwei der an Bord befindlichen Messinstrumente hat das Max-Planck-Institut für Astronomie mehrere zentrale technische Komponenten beigetragen. Das Heidelberger Institut ist einer der Hauptpartner im europäischen Konsortium für MIRI (Mittel-InfraRot-Instrument). Dabei entwickelten Ingenieurinnen und Ingenieure am Institut mit Unterstützung der Firma Hensoldt in Oberkochen unter anderem ein Filterrad für die MIRI-Kamera sowie zwei Gitterräder für den MIRI-Spektrografen.

„Mit eigenen technischen Abteilungen wie Labors, einem Konstruktionsbüro sowie Werkstätten für Elektronik und Präzisionsmechanik hat unser Institut seit Jahrzehnten Erfahrung beim Bau von Messgeräten für Satelliten gesammelt", sagt Oliver Krause, Leiter der Forschungsgruppe für Infrarot-Weltraumastronomie am Heidelberger Max-Planck-Institut und Hauptverantwortlicher für die technischen Beiträge. Diese Expertise sei nun auch bei der Entwicklung dieser anspruchsvollen Komponenten für das JWST entscheidend.

Welchen Anteil am NIRSpec hat das MPI in Heidelberg?

Darüber hinaus ist das Team um Krause federführend bei der Entwicklung des elektrischen Systems des MIRI-Instruments beteiligt. MIRI wird im Bereich des infraroten Lichtspektrums arbeiten, der Wellenlängen zwischen fünf und 28 Mikrometern umfasst.

Das MIRI-Filterrad
Das MIRI-Filterrad verfügt über 10 Filter für die Bildgebung, 4 Filterblendensätze für die Koronagraphie und ein Doppelprisma für die niedrigauflösende Spektroskopie. Das Spektrometer mit mittlerer Auflösung verfügt über 2 Räder zur Steuerung der Positionen von Gittern und Dichroiken. Mehr zu den Eigenschafter der Filter, erfahren Sie hier. (Bild: NASA)

Weiterhin ist das Max-Planck-Institut für Astronomie an der Entwicklung eines Filter- und eines Gitterrads für das Instrument NIRSpec (NahInfraRot-Spectrograph) beteiligt. NIRSpec deckt einen Spektralbereich zwischen 0,6 und fünf Mikrometern ab. Dabei wird ein Spektrograf (manchmal auch Spektrometer genannt) verwendet, um das Licht eines Objekts in ein Spektrum zu zerlegen. Die Analyse des Spektrums eines Objekts gibt Aufschluss über seine physikalischen Eigenschaften, einschließlich Temperatur, Masse und chemische Zusammensetzung. Die Atome und Moleküle des Objekts hinterlassen Linien im Spektrum, die einen eindeutigen Fingerabdruck der einzelnen chemischen Elemente ermöglichen und eine Fülle von Informationen über die physikalischen Bedingungen des Objekts liefern.

Viele der Objekte, die das Webb untersuchen wird, wie etwa die ersten Galaxien, die sich nach dem Urknall gebildet haben, sind so schwach, dass der riesige Spiegel des Webb sie Hunderte von Stunden lang fokussieren muss, um genügend Licht für ein Spektrum zu sammeln. Um während seiner fünfjährigen Mission Tausende von Galaxien untersuchen zu können, ist das NIRSpec darauf ausgelegt, 100 Objekte gleichzeitig zu beobachten.

Welchen Vorteil hat das MPI für Astronomie in Heidelberg durch seine technischen Beiträge?

Die instrumentellen Hardware-Beiträge des Instituts und seiner industriellen Auftragnehmer zu den beiden genannten JWST-Instrumenten wurden bereits in den Jahren 2012/2013 erfolgreich an die NASA geliefert. Seit damals mussten sich die Instrumente einer Reihe von strengen Testkampagnen unterziehen. Das Heidelberger JWST-Team war dabei maßgeblich an der Vorbereitung, Durchführung und Auswertung dieser Tests bei der NASA in den USA beteiligt. Außerdem ist das Team intensiv in die Entwicklung der zukünftigen Datenverarbeitungssoftware für das MIRI-Instrument eingebunden.

Für die technischen Beiträge erhalten die beteiligten Forschungsinstitute als Gegenleistung sogenannte GT-Programme (Guaranteed Time = garantierte Beobachtungszeit). Auch hieran ist die Gruppe von Oliver Krause, teilweise in leitender Funktion, intensiv beteiligt. Darüber hinaus konnten sich Max-Planck-Astronominnen und -Astronomen einen großen Anteil an der Beobachtungszeit sichern, die allen Forschenden offensteht. Beispielsweise geht Laura Kreidberg, Direktorin am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, der Frage nach „Können Felsplaneten, die um Rote Zwerge kreisen, ihre Atmosphären behalten?“ Dafür misst James Webb Infrarot- und damit Wärmestrahlung als Diagnosewerkzeug.

Auch Thomas Henning leitet als Co-Investigator des MIRI-Instruments eines der Wissenschaftsprojekte mit diesem Instrument. „Wir wollen herausfinden, welches Baumaterial Planeten in ihren Geburtsstätten, den Scheiben aus Gas und Staub um junge Sterne, vorfinden. Dazu werden wir mit dem MIRI-Spektrografen die chemische Zusammensetzung des Gases und der Staubteilchen aufklären“, sagt der Wissenschaftler. Einige Forschende sind von den USA an sein Institut gewechselt, um dort mit dem JWST weltweite Spitzenforschung zu betreiben.

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