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Eine Illustration des James-Webb-Weltraumteleskops und einiger seiner Beobachtungsziele aus Zyklus 3, darunter schwarze Löcher, Anceint-Galaxien und Exomonen (Bildnachweis: Robert Lea/NASA)

Das Space Telescope Science Institute hat bekannt gegeben, welche astronomischen Projekte ausgewählt wurden, um in den nächsten zwei Jahren mit dem James Webb Space Telescope beobachtet zu werden.

Am Donnerstag (29. Februar) stellte die Organisation 253 Programme für allgemeine Beobachter (General Observers, GO) vor, die das leistungsstärkste und empfindlichste Weltraumteleskop der Menschheit zwischen Juli 2024 und Juni 2025 für insgesamt 5.500 Stunden nutzen werden. Dieser Zeitraum wird als Zyklus 3 des JWST-Betriebs bezeichnet.

Zyklus 3 wird auf den wissenschaftlichen Fortschritten aufbauen, die dieses 10-Milliarden-Dollar-Teleskop in den vorangegangenen zwei Jahren erzielt hat und die seit 2022 auf die Erde übertragen werden.

Zu den Zielen des JWST im dritten Jahr gehören potenzielle Exomonen, d. h. Monde, die Exoplaneten umgeben, Exoplaneten selbst in Verbindung mit ihren Atmosphären, supermassive schwarze Löcher und sogar entfernte Galaxien, die zu Beginn der Zeit existierten. Das JWST wird auch großräumige Strukturen im Kosmos untersuchen, um Details über die sich beschleunigende Expansion des Universums und die dunkle Energie, die geheimnisvolle Kraft, die diese Bewegung antreibt, aufzudecken.

Die Jagd nach Exomonen ist eröffnet

Eines der Teams, die das Glück haben, während des Zyklus 3 Zeit mit dem JWST zu verbringen, wird nach Monden außerhalb des Sonnensystems suchen. Diese werden als extrasolare Monde oder einfach als „Exomonde“ bezeichnet.

David Kipping, Assistenzprofessor für Astronomie an der Columbia University, gehört zu dem Team, das hofft, insbesondere Monde um den Exoplaneten Kepler-167e zu finden. Dieser Gasriese hat etwa die Größe und Masse des Jupiters und ist 1.115 Lichtjahre von der Erde entfernt.

„Wir freuen uns sehr, dass einer unserer Vorschläge angenommen wurde!“ sagte Kipping gegenüber kosmischeweiten.de. „Unsere Exomondsuche um Kepler-167e wurde angenommen, und es ist das beste Ziel, das wir je für die Mondsuche hatten.“

Bislang haben sich Exomonde für Astronomen als schwer fassbar erwiesen, weil sie mit der gleichen Lichtblockierungstechnik gesucht werden, mit der Exoplaneten um Sterne herum aufgespürt werden. Diese Technik ist jedoch bei der Suche nach großen Welten jenseits der Erde schon schwierig genug – die Suche nach kleinen Exomonen ist eine enorme Herausforderung. Exomonen würden nicht nur weit weniger Licht blockieren als die Exoplaneten, die sie umkreisen, sondern sie müssten sich auch zur richtigen Zeit an der richtigen Stelle befinden.

Ein nachweisbarer Exomond müsste seinen Planeten genau dann umkreisen, wenn dieser das Antlitz seines Muttersterns kreuzt oder „durchquert“, um von unserem Blickwinkel im Kosmos aus gesehen etwas Licht zu verdecken. Dieses Hindernis würde von den Geräten der Wissenschaftler aufgespürt werden, was es ihnen ermöglichen würde, rückwärts zu berechnen, dass ein Exoplanet (oder möglicherweise ein Exomond) ihn hervorgebracht hat.

Kipping hofft, dass er und sein Team durch die Konzentration auf Kepler-167e mit dem Nahinfrarot-Imager und spaltlosen Spektrographen (NIRISS) des JWST den ersten unbestrittenen Nachweis eines Exomonds erbringen können. „Dies ist hoffentlich erst der Anfang der Exomond-Revolution. Neue Welten, die sicherlich einige bemerkenswerte Geheimnisse bergen werden“, so Kipping.

Eine künstlerische Darstellung eines Exomonds, der einen Exoplaneten umkreist. (Bildnachweis: NASA/ESA/L. Hustak)

Die JWST-Projekte des Zyklus 3 GO umfassen natürlich auch eine Vielzahl von Untersuchungen, die sich auf Exoplaneten selbst und nicht nur auf ihre potenziellen Monde konzentrieren. Dazu gehören auch einige Projekte, die herausfinden wollen, ob einige Exoplaneten die Voraussetzungen für Leben, wie wir es kennen, bieten.

Zu diesen Projekten zur Habitabilität von Exoplaneten gehört auch das Projekt „Constraining the atmosphere of the terrestrial exoplanet TOI-4481b“. Dabei wird das Mid-Infrared Instrument (MIRI) des JWST 16 Stunden lang eingesetzt, um festzustellen, ob ein Exoplanet von etwa Jupitermasse, der einen etwa 39 Lichtjahre entfernten Stern umkreist, der etwa halb so groß wie die Sonne ist, seine Atmosphäre behalten konnte.

Das Ergebnis könnte ein erster Schritt sein, um die Bewohnbarkeit von Gesteinsplaneten zu verstehen und festzustellen, ob Sterne vom Typ M, die auch als Rote Zwerge bezeichnet werden, terrestrische Planeten mit einer nennenswerten Atmosphäre besitzen. Dies ist wichtig für die Suche nach Leben jenseits der Erde, da rote Zwerge die häufigsten Sterne in der Milchstraße sind.

Auf der Suche nach supermassiven schwarzen Löchern

Astronomen gehen davon aus, dass die meisten großen Galaxien in unserem Universum supermassive schwarze Löcher in ihrem Herzen haben, deren Masse so groß ist wie Millionen oder sogar Milliarden von Sonnen. Einige dieser supermassiven schwarzen Löcher verschlucken aktiv Gas und Staub, die sie in Materiescheiben, den sogenannten Akkretionsscheiben, umgeben.

Man nimmt an, dass die Gravitationseinflüsse dieser schwarzen Monsterlöcher das Material in diesen Akkretionsscheiben aufheizen, so dass sie helle Strahlung im gesamten elektromagnetischen Spektrum aussenden und Regionen entstehen, die als aktive galaktische Kerne (AGN) bezeichnet werden. Darüber hinaus kann jede Materie, die nicht vom Schwarzen Loch verschluckt wird, zu seinen Polen geleitet werden, wo sie in Form von Teilchenstrahlen mit annähernder Lichtgeschwindigkeit herausgeschleudert wird. Wenn dies geschieht, nennt man das Phänomen einen Quasar.

Die gewaltigen Bedingungen dieser Ereignisse machen AGNs und Quasare zu den hellsten Objekten im Universum, die oft so hell sind, dass sie das Licht aller Sterne in den sie umgebenden Galaxien überstrahlen. Unser theoretisches Verständnis von supermassiven Schwarzen Löchern hat sich weiterentwickelt, seit das Event Horizon Telescope (EHT) im Jahr 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs, des supermassiven Schwarzen Lochs im Herzen der Galaxie Messier 87 (M87), enthüllt hat.

Und die Zyklus-3-Missionen des JWST werden weiter zu diesem Wissen beitragen.

Ein Bild des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 und seines Schattens, aufgenommen mit dem Event Horizon Telescope. (Bildnachweis: EHT Collaboration)

Die Beobachtungsprogramme des JWST-Zyklus 3 für supermassive schwarze Löcher umfassen die Untersuchung von Quasaren im frühen Universum und der Natur der ersten schwarzen Löcher. Die Wissenschaftler hoffen zu verstehen, wie diese schwarzen Löcher das Wachstum von Galaxien über Milliarden von Jahren beeinflusst haben könnten.

Die JWST-Beobachtungen supermassereicher schwarzer Löcher im frühen Universum könnten auch Aufschluss darüber geben, wie diese kosmischen Titanen zu den enormen Massen heranwuchsen, die die Wissenschaftler beobachten – bevor das Universum überhaupt eine Milliarde Jahre alt war. Diese Frage kann beantwortet werden, indem mit MIRI untersucht wird, ob eine riesige Molekülwolke, die vor etwa 13,2 Milliarden Jahren existierte, direkt kollabiert sein könnte, wobei ein „schwerer Schwarzer-Loch-Samen“ geboren wurde, der für einen schnellen Wachstumsmechanismus verantwortlich wäre.

Xavier Calmet ist Forscher an der Universität von Sussex, der sich mit der Schnittstelle zwischen Schwarzen Löchern und Quantenmechanik beschäftigt. Gegenüber kosmischeweiten.de sagte er, er sei besonders gespannt darauf, dass sich das JWST auf supermassive schwarze Löcher und AGNS konzentriert.

„Die Projekte des JWST Zyklus 3 sind sehr spannend“, erklärte Calmet. „Angesichts meiner eigenen Forschungsinteressen bin ich besonders gespannt darauf, was wir über Schwarze Löcher lernen werden.“

Das James Webb Weltraumteleskop wird groß

Eine der Hauptaufgaben des JWST ist die Erforschung von Objekten im frühen Universum. Das leistungsstarke Weltraumteleskop ist dazu in der Lage, weil die Ausdehnung des Universums die Wellenlängen des Lichts von weit entfernten Objekten auf dem Weg zu uns streckt und die Wellenlängen in Richtung des „roten Endes“ des elektromagnetischen Spektrums verschiebt.

Je länger das Licht unterwegs war, um uns zu erreichen, desto stärker ist es rotverschoben. Das bedeutet, dass Licht, das etwa 12 Milliarden Jahre unterwegs war, extrem rotverschoben ist, und zwar bis in den Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums und außerhalb des sichtbaren Bereichs, den wir mit bloßem Auge sehen können. Infrarotlicht ist für uns praktisch unsichtbar. Das JWST ist jedoch in der Lage, dieses infrarote Licht zu beobachten und trägt so zur Erforschung der ersten Sterne und frühesten Galaxien bei, was es auch im Jahr 2025 mit mehreren Projekten des Zyklus 3 GO tun wird.

Luz Angela Garcia ist Kosmologin an der Universidad ECCI in Kolumbien und beschäftigt sich mit der Frage, wie die dunkle Energie den Kosmos immer schneller ausdehnt, was wiederum zu Untersuchungen über die Entwicklung des Universums beiträgt. Besonders begeistert ist sie von GO-Projekten, die sich mit einer Ära der kosmischen Entwicklung befassen, der Epoche der Reionisierung, die etwa 500 Millionen Jahre nach dem Urknall stattfand.

In dieser Zeit wurden die neutralen Wasserstoffatome, die den Kosmos bevölkern, durch Strahlung ionisiert, die ihnen die Elektronen entriss und sie als ionisierten Wasserstoff oder Wasserstoffionen zurückließ. Die Untersuchung von Galaxien mit hoher Rotverschiebung kann mehr über diese entscheidende Phase der kosmischen Entwicklung enthüllen, auch darüber, wie die ersten Galaxien als Quelle dieser ionisierenden Strahlung fungierten.

„Einige der Vorschläge, die mein Interesse geweckt haben, sind ‚Understanding galaxy formation at cosmic dawn‘, ‚Galactic Winds in the Early Universe‘ und ‚Dead or alive? Unveiling the nature of massive galaxies in the early Universe'“, so Garcia gegenüber kosmischeweiten.de. „Alle diese anerkannten Projekte zielen darauf ab, Galaxien zu identifizieren und zu charakterisieren, die die Epoche der Reionisation bestimmen.

„Die meisten dieser Vorschläge konzentrieren sich auf die Untersuchung der Eigenschaften der ersten Galaxien im Universum – sehr hoch verschobene Systeme, die spektroskopisch bestätigt werden müssen.“

Dies ist nur die Spitze des himmlischen Eisbergs, wenn es um die Bandbreite der Themen geht, die die Projekte des Zyklus 3 GO abdecken werden. Zwischen 2024 und 2025 werden die Astronomen auch Teleskope auf weit entfernte Sterne richten, um die Sternphysik und -populationen besser zu verstehen und das Gas zwischen den Sternen zu untersuchen, das zu den Bausteinen der nächsten Generation von Sternen und Planeten werden kann.

Obwohl das JWST mit Blick auf die Erforschung entfernter Objekte entwickelt wurde, wird das Observatorium in Zyklus 3 auch zur Untersuchung von Körpern innerhalb unseres eigenen Sonnensystems eingesetzt. Dazu gehören die Suche nach der Quelle der Gasfahnen, die vom Saturnmond Enceladus ausgehen, die Untersuchung der Dynamik der Ringe des Uranus und die Charakterisierung von Eisobjekten im Kuipergürtel am Rande des Sonnensystems.

Nach dem JWST-Zyklus 3 wird die Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen für den Zyklus 4 GO am 1. August 2024 veröffentlicht, wobei die Frist am 16. Oktober dieses Jahres endet. Das Telescope Allocation Committee (TAC) des Zyklus 4 wird zwischen dem 3. und 12. Februar 2025 die Anträge prüfen, die Auswahl wird um den 5. März nächsten Jahres bekannt gegeben. Die JWST Cycle 4 GO Programme werden dann am 1. Juli 2025 mit der Beobachtung des Kosmos beginnen.

Eine vollständige Liste der angenommenen JWST-Programme des Zyklus 3 ist auf der STScI-Website verfügbar.