Die Astronomie wird von großen Fragen angetrieben, und sie sind nicht viel größer als die Frage, wie die ersten Sterne und Galaxien zu entstehen begannen und schließlich unsere eigene Existenz hervorbrachten.
Die Antworten liegen im weit entfernten Universum vergraben, so weit entfernt, dass das Licht Milliarden von Jahren zurücklegte, um uns zu erreichen, und die Bilder der ersten Galaxien trug, die sich bildeten. Diese frühe Periode, nur 200 Millionen Jahre nach dem Urknall, liegt außerhalb der bereits beeindruckenden Reichweite früherer Teleskope. Dank des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA/ESA/CSA kommt es jetzt in Sicht.
Aber selbst das größte Weltraumteleskop ist nur so gut wie die daran angebrachten Instrumente, und hier kommt das NIRSpec-Instrument ins Spiel, einer der europäischen Beiträge zur Webb-Mission.
„Am Anfang jedes Instrumentendesigns steht der Ehrgeiz der Wissenschaftler. Die Erforschung der Entstehung der ersten Sterne und Galaxien hat NIRSpec wirklich geprägt“, sagt Pierre Ferruit, ehemaliger Webb-Projektwissenschaftler für die ESA.
NIRSpec ist der Nahinfrarot-Spektrograph von Webb. Seine Aufgabe ist es, das von Webb gesammelte Infrarotlicht in seine Wellenlängen zu zerlegen, um ein Spektrum zu bilden. Indem sie messen, wie sich die Helligkeit eines Objekts im Weltraum bei verschiedenen Wellenlängen ändert, können Astronomen eine Fülle von Informationen über seine physikalischen Eigenschaften und seine chemische Zusammensetzung gewinnen. Vor Webb und NIRSpec war dies für diese entferntesten Galaxien unmöglich.
„Jetzt, da wir dies tun können, öffnet sich ein riesiger Weg für uns. Wir können jetzt weit entfernte Galaxien auf die gleiche Weise untersuchen, wie wir nähere Objekte untersuchen“, sagt ESA-Astronomin Giovanna Giardino.
Webbs Arbeitspferd: NIRSpec. Bildnachweis: ESA/ATG Medialab
Die Daten werden es Astronomen ermöglichen, aufzuzeichnen, wie sich Galaxien von den sehr frühen Stadien des Kosmos zu den Objekten entwickelt haben, die wir heute um uns herum sehen.
NIRSpec wurde unter Federführung der ESA mit Airbus Defence and Space Deutschland als Hauptauftragnehmer entwickelt. Airbus stellte ein Team von 70 Mitarbeitern an seinen Standorten in Ottobrunn und Friedrichshafen, Deutschland, und Toulouse, Frankreich, zusammen. Darüber hinaus wurden sie von der NASA und 17 europäischen Subunternehmern unterstützt.
Schon früh entschied das Team, dass der beste Weg zum Erfolg darin bestand, nichts zu verkomplizieren. „Wenn man sich das Design von NIRSpec ansieht, ist es ziemlich einfach“, sagt Ralf Ehrenwinkler, Leiter des NIRSpec-Programms bei Airbus.
Durch die einfache Art und Weise, wie Licht durch das Instrument geleitet wird, konnte sich das Team auf die revolutionären Aspekte des Instruments konzentrieren. Dazu gehörte vor allem die Notwendigkeit, Spektren von vielen Objekten gleichzeitig effizient aufzuzeichnen – etwas, das noch nie zuvor im Weltraum durchgeführt worden war.
Diese einzigartige Fähigkeit war direkt durch den Wunsch erforderlich, das ferne Universum zu untersuchen, wo die Galaxien so schwach sind. Wir müssten Tausende von ihnen beobachten, um uns ein umfassendes Bild unserer frühen Ursprünge zu machen.
Webb NIRSpec Multi-Objekt-Spektrograph. Bildnachweis: ESA/ATG Medialab
Unsere ersten Einblicke in dieses Reich bekamen wir 1995 mit dem historischen Hubble Deep Field. Hubble nutzte seine ungestörte Sicht auf den Kosmos und spähte ab dem 18. Dezember zehn aufeinanderfolgende Tage lang auf einen einzigen Fleck am Himmel. Der ausgewählte Fleck war kaum mehr als ein winziger Fleck, etwa ein 24-millionstel des gesamten Himmels. Doch Hubble enthüllte rund 3000 bisher unbekannte Objekte, die meisten davon junge Galaxien, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind.
Dank des großen 6,5-Meter-Spiegels von Webb können ähnliche Tieffeldbilder jetzt in Stunden statt in Tagen aufgenommen werden, und NIRSpec kann ihre Spektren aufzeichnen. Aber es müssen so viele Galaxien aufgezeichnet werden, dass es völlig unpraktisch wäre, wenn NIRSpec nur jeweils ein Spektrum aufnehmen könnte. Das Team musste also einen Weg finden, dies für viele Objekte gleichzeitig zu tun.
Das ist ihnen spektakulär gelungen.
„Wir sind in der Lage, Spektren für bis zu 200 Objekte gleichzeitig zu sammeln, das ist ein Game Changer“, sagt Maurice Te Plate, NIRSpec-Systemingenieur für die ESA.
Um diese bemerkenswerte Multitasking-Leistung zu erreichen, verwendet NIRSpec ein bahnbrechendes Gerät namens Micro-Shutter-Array. Es wird vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, USA, hergestellt und geliefert und besteht aus rund einer Viertelmillion winziger autonomer Fensterläden. Jedes ist nur 80 mal 180 Mikrometer groß. Sie können individuell gesteuert werden, um sich je nach Bedarf zu öffnen oder zu schließen.
Dies löst eines der größten Probleme beim Erhalten von Spektren aus dem fernen Universum: Die Spektren von näheren Objekten, Sternen und weniger entfernten Galaxien zum Beispiel, kommen den schwächeren in die Quere, wenn sie nicht maskiert werden.
„Wir lassen nur diejenigen offen, die sich über interessanten Objekten befinden, und die anderen sind alle geschlossen. So gelangt nur das Licht, das von den ausgewählten Zielen kommt, in die Optik des Spektrographen, um analysiert zu werden“, sagt Maurice.
Neben dem fernen Universum ist NIRSpec darauf ausgelegt, Himmelsobjekte zu untersuchen, die viel näher an der Heimat liegen: Exoplaneten. Die Atmosphären dieser Welten absorbieren einen Teil des Infrarotlichts ihres Muttersterns, das sie durchdringt. Indem das Licht des Sterns gesammelt und in ein Spektrum aufgeteilt wird, ermöglicht NIRSpec den Astronomen, nach den winzigen Lichtmengen zu suchen, die bei bestimmten Wellenlängen fehlen. Sie können dann feststellen, welche Chemikalien in der Atmosphäre des Planeten vorhanden sind, sowie andere Informationen über physikalische Bedingungen extrahieren.
„Wir können jetzt die Signaturen vieler entscheidender Moleküle in der Atmosphäre von Exoplaneten sehen, die vom Boden aus nicht sichtbar sind, oder mit Weltrauminstrumenten, die es vor NIRSpec gab“, sagt Giovanna.
NIRSpec bietet Astronomen mehr Möglichkeiten. Vor allem kann es größere Objekte wie Galaxien und Nebel in 30 Scheiben unterteilen und ein Spektrum für jede Scheibe auf einmal beobachten. Die resultierenden Karten der physikalischen Bedingungen und der Chemie sind der Schlüssel zum Verständnis der Geburt und des Todes von Sternen und der Funktionsweise von Galaxien.
Um im nahen Infrarot zu arbeiten, müssen NIRSpec und der Großteil des restlichen Webb bei nur 40 Kelvin (–233 °C) betrieben werden, die durch Webbs ikonischen Sonnenschutz kalt gehalten werden. Dies stellt eine große Herausforderung bei der Herstellung präziser wissenschaftlicher Instrumente dar. Verschiedene Materialien schrumpfen beim Abkühlen unterschiedlich schnell, was zu leichten Verzerrungen im Instrument führt, die seine Genauigkeit beeinträchtigen.
„Das war die größte Herausforderung, und deshalb hat sich Airbus entschieden, dieses Instrument hauptsächlich aus Siliziumkarbid herzustellen. Die Grundplatte, die meisten Strukturen und die Spiegel bestehen alle aus Siliziumkarbid“, sagt Ralf.
Siliziumkarbid ist ein keramisches Material, das zwar schwierig zu bearbeiten ist, aber bei niedrigen Temperaturen äußerst stabil ist. Indem das meiste aus dem Instrument gemacht wurde, konnten thermische Verzerrungen so gut wie eliminiert werden. Aber es bedeutete, sich des Designs vollkommen sicher zu sein, bevor die Herstellung begann.
NIRSpec begann als Block aus Siliziumkarbid im sogenannten Grünzustand, in dem das Material weich ist und bearbeitet werden kann. NIRSpec wurde dann maschinell in Form gebracht, so wie ein Künstler Stein zu einer Skulptur verarbeitet. Alle Löcher und Kanäle wurden gebohrt und als alles fertig war, wurde es in einen Ofen gestellt, um „gesintert“ zu werden. Dadurch wird das Material härter, wodurch es extrem schwer zu bearbeiten ist. Daher musste sich das Team vorab über das Design vollkommen im Klaren sein begann mit der Herstellung.
„Die Arbeit in Siliziumkarbid war definitiv eine Herausforderung, und ich bin sehr stolz darauf, dass es uns gelungen ist, es zu bauen“, sagt Maurice. Nicht zuletzt aufgrund ihres Erfolges ist die Arbeit mit dem Material mittlerweile zu einer europäischen Spezialität geworden.
Der Erfolg von NIRSpec wurde für das Team deutlich, als die ersten Bilder und Daten zurück zur Erde zu fließen begannen. „Ich bin kein Wissenschaftler, ich bin Ingenieur. Daher freue ich mich sehr, dass die gesamte Telemetrie grün ist und NIRSpec funktioniert erste Bilder wurden veröffentlicht. Wir hatten alle Tränen in den Augen“, sagt Ralf.
Und jetzt, wo kontinuierlich Daten eintrudeln, geht es vielen anderen genauso.
„Ich bin ziemlich erstaunt über die Qualität der Spektren, die wir bekommen. Ich kann sehen, dass die Beobachter auch mit den Daten sehr zufrieden sind. Und für mich haben wir NIRSpec dafür gebaut. Ich denke, das ganze Team spürt das. Jetzt die NIRSpec liefert, fühlt sich großartig an“, sagt Pierre.
Sobald die akribischen Datenanalysen abgeschlossen sind, werden wir neue Antworten auf jene außergewöhnlichen Fragen haben, die so wichtig sind, um unsere eigene Existenz zu verstehen: wie die ersten Galaxien und Sterne in unserem Universum entstanden sind und wie häufig Planeten, die andere Sterne umkreisen, Bedingungen bieten, die Leben ermöglichen würden wir wissen, dass es existiert.
Dafür wurde NIRSpec entwickelt: viele Fenster zu öffnen, um sich mit großen Fragen zu befassen.