Das James Webb Space Telescope (JWST) ist das mit Spannung erwartete, lang erwartete Teleskop der nächsten Generation. Geplant für den Start in 2013 Im Oktober 2018 wurde JWST als Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops angepriesen. Damit hoffen die Astronomen, in die Zeit zurückblicken zu können, als das Universum noch 200 Millionen Jahre alt war, und die ersten Sterne und Galaxien zu sehen. Der leitende Wissenschaftler, der dieses Projekt leitet, ist Dr. John Mather, Mitempfänger des Nobelpreises für Physik 2006 für seine Arbeit mit dem Cosmic Background Explorer (COBE), der die Schwarzkörperform und Anisotropie des kosmischen Mikrowellenhintergrunds gemessen hat.
Wir haben uns verständlicherweise geehrt gefühlt, als Dr. Mather das Space Magazine kontaktierte und sagte, er würde gerne mit uns über den Status von JWST sprechen. "Ich dachte, es könnte Zeit sein, darüber zu sprechen, was wir tun", sagte er, "weil aufregende Dinge anfangen zu passieren."
Space Magazine: Dr. Mather, seit über einem Jahrzehnt hören wir vom Weltraumteleskop der nächsten Generation, das später offiziell als James Webb-Weltraumteleskop bezeichnet wurde. Können Sie uns sagen, wie das Konzept für dieses Teleskop begann?
John Mather: Noch vor dem Start des Hubble fand 1989 eine Konferenz über das nächste Weltraumteleskop statt. Sie diskutierten große Teleskope der Zukunft und veröffentlichten aus dem Verfahren ein Buch. Aber sie haben wirklich nicht gedacht, dass Infrarot die große Welle der Zukunft ist. Dann, 1993, gab es ein Komitee namens HST and Beyond. Sie veröffentlichten 1996 einen schönen kleinen Bericht, der besagte, dass zwei wichtige Dinge zu tun seien. Zum einen sollte ein Infrarot-Teleskop gebaut werden, anders als im vorherigen Buch gesagt, und zum anderen sollte ein Teleskop gebaut werden, um nach erdähnlichen Planeten zu suchen. Zu diesem Zeitpunkt erkannten die Astronomen gerade, dass die Suche nach extrasolaren Planeten möglich war. Im Oktober 1995 rief mich das NASA-Hauptquartier an, gab mir eine Liste von Wissenschaftlern und Ingenieuren, mit denen ich Kontakt aufnehmen konnte, und sagte, ich solle mit der Planung beginnen. So taten wir es und kamen sofort zu einer bemerkenswerten Konvergenz von Gedanken und Meinungen. Wir haben uns schnell auf ein Konzept geeinigt, das den Wünschen der wissenschaftlichen Gemeinschaft entsprach und den Ambitionen der NASA entsprach. Sie werden feststellen, dass das Teleskop, das wir damals fliegen wollten, demjenigen sehr ähnlich ist, das wir 2013 fliegen werden.
UT: Können Sie uns jetzt ein Update zum Status des JWST geben?
Mather: Die Fluginstrumenten-Hardware wird im Sommer 2010 aus aller Welt kommen. Der Feinführungssensor stammt aus Kanada, eineinhalb Instrumentenpakete aus Europa und der Rest aus den USA. In 18 Monaten beginnt das Instrumentenpaket zusammen zu passen und trifft sich dann etwa ein Jahr später mit dem Teleskop. Die vier wissenschaftlichen Instrumente sind eine Nahinfrarotkamera, ein Nahinfrarot-Mehrobjektspektrograph, ein Mittelinfrarotinstrument und ein abstimmbarer Filterbildgeber.
Wir haben gerade die Überprüfung des kritischen Designs für das Instrumentenmodul durchlaufen. Letzte Woche kamen Hunderte von Menschen, um sich alles anzusehen und uns zu sagen, ob wir es richtig machen. Ich denke, wir haben bestanden, obwohl ich die offiziellen Unterlagen noch nicht gesehen habe. Aber auch ich war beeindruckt.
UT: Die Frage, die mir viele Leute stellen, ist, warum JWST kein optisches Teleskop sein wird, da Hubble so erfolgreich war.
Mather: Warum wechselte das Komitee von optisch zu infrarot? Es war zweifach. Eines war, dass Hubble so gut wurde, dass sie sehen konnten, dass es schwer sein würde, es zu schlagen, egal wie groß Sie ein Teleskop gebaut hatten. Eine andere Sache war, dass die Leute sahen, dass man große optische Teleskope auf dem Boden bauen konnte. Das Keck-Teleskop funktionierte sehr gut und die Leute begannen, über adaptive Optik zu sprechen, was bedeutete, dass sich noch größere Teleskope am Boden lohnten. Diese beiden Dinge wiesen uns also auf ein Infrarot-Teleskop hin. Auch alle Wissenschaftler des JWST sagten, wir brauchten Infrarot. Aufgrund der geringen Fähigkeiten, die wir zu dieser Zeit hatten, war Infrarot faszinierend und stellte fest, dass das am weitesten entfernte Universum aufregend und vom Sichtbaren rot verschoben ist. Es beginnt im ultravioletten Bereich und gelangt aufgrund der großen Entfernungen dieser Objekte und der großen Rotverschiebung, die sie haben, ins Infrarot. Wenn Sie also ultraviolette Astronomie am Rande des Universums betreiben möchten, benötigen Sie ein Infrarot-Teleskop.
UT: Hat das die Meinung anderer geändert, nachdem das Infrarot-Spitzer-Weltraumteleskop so gut funktioniert, oder wollen Wissenschaftler mit Infrarot auf die nächste Stufe gehen?
Mather: Ja, Spitzer hat bewiesen, dass dies tatsächlich ein faszinierendes Gebiet ist. Spitzer ist nach modernen Maßstäben eigentlich ein kleines kleines Teleskop. es ist nur 3 Fuß breit, 85 cm. Aber es hat einige erstaunliche Überraschungen gebracht. Sie können Dinge bis zu sehr, sehr hohen Rotverschiebungen sehen, und keines dieser Dinge wurde erwartet. Das sagt uns also, dass Infrarot der Ort ist, an dem die wunderbaren Entdeckungen stattfinden werden. Wir wissen jetzt, dass wir die Technologie beherrschen können, also holen wir uns ein besseres Teleskop. Die Wissenschaft ist sehr, sehr aufregend und es gibt so viel da draußen, das darauf wartet, entdeckt zu werden.
UT: Was unterscheidet den JWST Ihrer Meinung nach von früheren Weltraumteleskopen?
Mather: Jedes Teleskop sagt: "Ich bin besser als das vor mir", und wir sagen dasselbe. Natürlich wird dieses Teleskop mit seiner Infrarotfähigkeit und seiner riesigen Blende weiter in die Vergangenheit zurückblicken. es wird durch Staubwolken sehen, wo Sterne geboren werden; Es werden Dinge gesehen, die Raumtemperatur haben, wie du und ich, Planeten oder junge Sterne, die geboren werden. All diese Dinge können direkt mit der Infrarot-Fähigkeit gesehen werden, die wir auf diesem neuen Teleskop haben. Die meisten Arbeiten werden im Infrarotbereich ausgeführt, wobei einige Funktionen im sichtbaren Bereich liegen.
Wir haben jedoch ein Allzweckteleskop gebaut. Nach dem Start können Wissenschaftler wie für Hubble Vorschläge für das schreiben, was sie beobachten möchten, damit sie beobachten können, was auch immer das aktuelle Thema ist.
UT: Wie haben Sie das mit Ihrer Erfahrung mit COBE und den darauf folgenden Auszeichnungen auf die JWST angewendet?
Mather: Es waren nicht so sehr die Ehrungen, die mein Leben beeinflussten, sondern die Tatsache, dass ich den Prozess von Anfang bis Ende für ein sehr radikal gestaltetes Observatorium durchlaufen hatte, was COBE war, was mir den Nerv gab, groß zu denken Dinge. Als das NASA-Hauptquartier sagte, sie wollten einen Nachfolger für Hubble, dachte ich, das wäre interessant, und ich hatte genug Nerven, um Ja zu sagen, das würde ich gerne versuchen. COBE war für die damalige Zeit sehr ehrgeizig, aber klein genug, dass ich die Ingenieure persönlich kannte und jeden Tag mit ihnen über alles sprechen konnte. Also dachte ich, ich könnte zu einem größeren Projekt wechseln.
UT: Und jetzt arbeiten Sie mit Menschen aus der ganzen Welt zusammen?
Mather: Ja, das ist eine große Sache. Unser Wissenschaftsteam besteht aus 19 Personen aus Europa, den USA und Kanada. Das Engineering-Team besteht aus über 2.000 Mitarbeitern, die auf der ganzen Welt verteilt sind. Natürlich kenne ich nicht alle. Ich arbeite eng mit den Wissenschaftlern zusammen und spreche mit ihnen darüber, was wir erreichen wollen, und stelle sicher, dass wir das erreichen. Also habe ich jetzt eine andere Rolle. Ich habe keine praktische Verantwortung für Hardware, aber ich arbeite mit den Leuten zusammen, die das tun. Wir haben zu jedem Thema Zugang zu einigen der besten Menschen der Welt.
UT: Können Sie über die Probleme sprechen, die dieses Teleskop zu überwinden hatte, die Kostenüberschreitungen und die Verzögerungen, die es hatte?
Mather: Nummer eins: Die Kostenüberschreitung ist nicht so hoch wie die einiger Leute, die das Geld für ihre eigenen Projektideen haben möchten. Ursprünglich war Dan Goldin der Leiter der NASA, als wir anfingen, und er sagte: "Wir möchten, dass Sie sich überlegen, wie Sie dieses Observatorium für eine halbe Milliarde Dollar in 1996 Dollar machen können." Wir sagten, wir würden es versuchen. Aber wir erkannten schnell, dass es schwierig werden würde, dies zu bauen. Als wir uns bereit machten, es der dekadischen Umfrage im Jahr 2000 vorzustellen, betrugen die Kosten mehr als eine Milliarde Dollar. Dann, vor drei Jahren, sahen wir, dass die Arbeit schwieriger wurde und wir neu planen und neu budgetieren mussten. Wenn Sie nun die gesamten NASA-Kosten von 1995 bis Ende zählen, irgendwann nach 2019 mit Inflation und Beamten (die wir vorher nicht gezählt haben), sind es jetzt ungefähr 4,5 Milliarden US-Dollar in realen Dollars, nicht 1996 US-Dollar. Es gibt also ein Kostenwachstum, aber wir haben ausgezeichnete Erfolge erzielt und sind auf dem richtigen Weg, diese wunderbare Maschine auf den Markt zu bringen, die von Tausenden von Astronomen verwendet wird. Dank der stetigen Führung durch das NASA-Hauptquartier und der hervorragenden technischen Arbeit der Teams mussten wir in drei Jahren weder unseren Plan noch unser Gesamtbudget ändern.
UT: Das ist gut zu wissen. Ich denke, die Leute haben ein allgemeines Konzept, dass die JWST eine enorme Kostenüberschreitung hatte.
Mather: Nun, es ist nicht klein, und wir wünschen uns, wir hätten es besser machen können. Aber es geht um einen Faktor von zwei Wachstum und nicht um den Faktor fünf, der von einigen Leuten beworben wurde, die es besser wissen sollten. Dieses Teleskop wird lange funktionieren. Die Anforderung beträgt fünf Jahre, aber wir hoffen, sie zehn Jahre lang laufen zu lassen. Unser Projekt erstreckt sich also von 1995 bis vielleicht 2024, als der Betrieb enden würde.
Lassen Sie mich Ihnen eine Vorstellung davon geben, was wir tun mussten, um uns fertig zu machen, und was wir die ganze Zeit gemacht haben. Wir haben eine Liste von zehn Haupttechnologien entwickelt, die wir brauchten. Am schwierigsten war es, die Spiegel zu entwickeln. Das erforderte zwölf verschiedene Verträge, nur um die Konkurrenten dahin zu bringen, wo ihre Entwürfe gut genug waren, so dass dies einige Jahre dauerte. Die Detektoren mussten gegenüber den Spitzer- und Hubble-Teleskopen deutlich verbessert werden. Jetzt haben wir größere und bessere Detektoren, und sie sind fabelhaft. Ein Maß, das Astronomen haben, ist, wie viele Streuelektronen Sie von den Detektoren erhalten. Wenn Sie das gesamte Licht ausschalten, sollten Sie Null erhalten. Wir haben jetzt Detektoren, die ein paar Streuelektronen pro Pixel und Stunde abgeben, was fast perfekt ist. Es wäre gut, noch besser zu sein, aber das ist fabelhaft. Ich bin beeindruckt.
Wir mussten die Kühlschränke im Weltraum verbessern. Wir haben zunächst gesagt, wir brauchen ein strahlungsgekühltes Teleskop, damit es für sich allein kühl genug ist, und das stimmt größtenteils. Es stellt sich jedoch heraus, dass wir immer noch einen aktiven Kühlschrank benötigen, um die Detektoren mit der längsten Wellenlänge kalt zu halten. Deshalb mussten wir diesen entwickeln.
Dies sind nur einige der Dinge, die wir entwerfen mussten. Die gesamte technologische Entwicklung wurde 2007 abgeschlossen und die Genehmigung des Prüfungsausschusses bestanden. Er sagte: "Ja, diese Dinge können jetzt endlich gebaut werden."
Es war also eine lange Zeit, bis 2007 zu kommen, und ich glaube nicht, dass die Leute wirklich geschätzt haben, was es braucht, um neue Technologien vorzubereiten. Auf der anderen Seite wurden wir gesegnet, weil wir nicht "sichern" mussten. Wir haben genug Planung und Aufwand in diese Technologien gesteckt, damit sie jetzt funktionieren. Dies war eines der Dinge, die wir aus dem Hubble-Projekt gelernt haben. Beenden Sie Ihr Design erst, wenn Sie wissen, was Sie bauen sollen.
UT: Wie wäre es mit Ihrem Testprozess? Ist es ziemlich streng?
Mather: Das ist eine weitere Lektion, die wir von Hubble lernen mussten. Wenn Sie es nicht testen, wird es nicht funktionieren. Wir haben gelernt, einen sehr entschlossenen und strengen Prozess zu haben. Sie haben genug Tests auf dem Hubble durchgeführt, um über die Probleme mit dem Spiegelfokus Bescheid zu wissen. Der Spiegelhersteller hatte zwei Tests, die nicht übereinstimmten, und sie beschlossen, einen davon zu ignorieren, anstatt den Grund aufzuspüren, und das stellte sich als dumm und teuer heraus.
Wir haben die Verallgemeinerung, dass wenn etwas wirklich wichtig ist, es zweimal tun. Wir werden das Teleskop tatsächlich im großen Vakuumtank unten im Johnson Space Center kalt testen. Es wird also ein umfassender End-to-End-Test sein, bei dem „Licht am Anfang, Licht am Ende“, was sie für Hubble nicht tun konnten. Aber sie wussten, dass sie Hubble im Weltraum reparieren können, und wir wissen, dass wir JWST nicht reparieren können, da sich das Teleskop am L-2-Punkt befindet, ungefähr 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, was ungefähr viermal weiter von der Erde entfernt ist Erde als der Mond.
Dies ist ein kompliziertes Projekt, aber unser Ansatz für ein kompliziertes Projekt unterscheidet sich dramatisch von dem, als ich ein junger Fäller war. Als ich hier in Goddard ankam, verwendeten wir Bleistifte und Rechenschieber, und Computer waren ziemlich neu und die meisten Leute hatten sie nicht. Jetzt haben wir überall Computer, die unsere Dokumente verfolgen. Wir können Systemtechnik durchführen und sogar sehr genaue, vollständige Simulationen durchführen, um zu wissen, ob etwas zusammenpasst und funktioniert, bevor wir es überhaupt gebaut haben. Die Welt hat sich also verändert und es ist wunderbar zu sehen. Aus diesem Grund können wir dieses Observatorium jetzt für ungefähr die gleichen tatsächlichen Kosten bauen, die für den Start und die Inbetriebnahme des Hubble erforderlich waren. Aber JWST ist so viel größer und mächtiger.
UT: Können Sie uns etwas über das Design des Spiegels für das JWST erzählen?
Mather: Am schwierigsten war es, den Spiegel zu bauen, weil wir etwas brauchten, das viel größer ist als Hubble. Sie können jedoch möglicherweise nichts so Großes anheben oder in eine Rakete einbauen. Sie benötigen also etwas, das leichter, aber dennoch größer ist, sodass es zusammenklappbar sein kann.
Der Spiegel besteht aus leichtem Beryllium und hat 18 sechseckige Segmente. Das Teleskop faltet sich wie ein Schmetterling in seiner Puppe zusammen und muss es selbst vollständig lösen. Es ist ein ziemlich aufwändiger Prozess, der viele Stunden dauern wird. Das Teleskop ist mit 6,5 Metern (21 Fuß) riesig und daher ziemlich beeindruckend.
Der Sonnenschutz ist völlig neu und muss ebenfalls eingesetzt werden. Was also relativ gesehen in einen kleinen Zylinder eingewickelt wurde, wird zu einem riesigen Schild, der ungefähr so groß ist wie ein Tennisplatz. Es ist riesig. All dies geschieht in mehreren Schritten und wird Tage dauern. Wir haben eine Firma engagiert, Northrop Grumman, die Erfahrung mit der Entfaltung von Dingen im Weltraum hat, und sie sagen uns, dass dies definitiv nicht die komplizierteste Sache ist, die sie im Weltraum entfaltet haben, was beruhigend ist.
Video der JWST-Bereitstellung im Weltraum:
UT: Hat es eine Diskussion über das erste Licht gegeben und was wird das JWST zuerst sehen?
Mather: Ja ein bisschen. Das wird der lustige Teil sein, nachdem wir das Ding zusammengestellt haben.
UT: Hast du irgendwelche Lieblingsvorschläge?
Mather: Ich denke, wir sollten mit einfachen Zielen beginnen, die hübsch sein werden und die es der Öffentlichkeit ermöglichen, zu sagen: "Oh, ich sehe, dass es funktioniert!" Einige der ersten Beobachtungen können gemacht werden, wenn wir das Teleskop aufstellen, noch bevor es vollständig eingestellt ist. Da es nach dem Start bereitgestellt wird und der Spiegel zunächst nicht in der richtigen Form ist, werden wir schrittweise daran arbeiten. Bei Ball Aerospace in Boulder, Colorado, gibt es ein Testmodell, in dem wir üben können, die 18 Spiegelsegmente in Position zu bringen. Jedes Segment hat 7 Motoren, um die Position und Krümmung zu steuern, also müssen wir diesen proben.
Dies ist etwas, was sie mit Hubble nicht tun konnten. Sie wünschten, sie könnten es und es hätte Motoren, aber sie könnten nicht stark genug drücken. Das ist eine interessante Geschichte. Wir haben von Hubble gelernt, wie man die Optik basierend auf den Bildern korrigiert, die wir erhalten haben. Deshalb machen wir das absichtlich für dieses Teleskop.
UT: Es gab einige Kontroversen darüber, wie das JWST eingeführt wird.
Mather: Wir bringen das Teleskop nach Französisch-Guayana und laden es dort unten in die Rakete. Die ESA kauft die Trägerrakete für uns; Es ist die Ariane 5-Rakete, ein kommerzielles Produkt aus Europa, und sie hat in letzter Zeit einen guten Lauf gehabt, daher ist sie sehr zuverlässig.
Das hat natürlich viele Kontroversen ausgelöst. Auch wenn Europa uns sozusagen die Trägerrakete gab, gab es hier Leute, die das nicht akzeptieren wollten. Das Hauptquartier brauchte zwei Jahre, um es zu akzeptieren. Das hat uns Geld gekostet. Der einzige Grund, warum es akzeptiert wurde, war, dass wir einen neuen Administrator haben, der es akzeptieren würde. Das war Mike Griffin, also möchte ich sagen: "Vielen Dank, Mike Griffin!"
UT: Ihr Team hat vor 2013 noch viel zu tun, was wahrscheinlich hier sein wird, bevor Sie es wissen!
Mather: Ja, ich weiß. Es ist nun über 13 Jahre her, dass die NASA mich diesbezüglich kontaktiert hat, aber jetzt steht das Ende schnell bevor. Wir haben viele technische Herausforderungen vor uns, wenn wir alles zusammenstellen. Und wir sind noch nicht weit genug gekommen, um herauszufinden, wie viele Dinge wir kaputt gemacht haben oder wie viele Fehler wir gemacht haben, aber ich denke, wir sind ziemlich gut darin, sie herauszufinden, bevor wir sie machen.
Es wird sehr aufregend sein, die Ausrüstung zum ersten Mal zusammenzustellen. Wir haben die Teile, wir haben das Bild auf der Schachtel, um zu zeigen, wohin sie gehen, und bald können wir beweisen, dass sie zusammenarbeiten oder nicht. Wenn wir alle Teile hier bei Goddard erhalten, werden sie alle einzeln getestet, sodass sie gut zusammenspielen sollen. Aber die Natur mag keine Arroganz, deshalb müssen wir das Ganze von Anfang bis Ende testen, so wie wir es im Flug einsetzen werden. Nachdem wir es hier zusammengestellt haben, bringen wir es zum Johnson Spaceflight Center und legen es dort in den riesigen Vakuumtank. Das wird ein außergewöhnlicher Prozess sein.
UT: Vielen Dank für das Gespräch.
Mather: Das hat Spaß gemacht. Ich liebe es, meine Geschichte zu erzählen und ich bin froh, dass Sie sie mit uns erzählen möchten. Ich dachte, es könnte Zeit sein, darüber zu sprechen, was wir tun, weil aufregende Dinge passieren. Es passieren großartige Dinge. Wir haben jetzt das Kepler-Observatorium eingerichtet und hoffen, dass sie eine Handvoll erdähnlicher Planeten finden, die sie aufspüren können, und wir werden sie uns genauer ansehen.
