Der Weltraum ist nicht nur wegen der Raketenwissenschaft schwierig. Die Aufgabe, eine NASA-Mission von der Entwicklung und Finanzierung über den Bau bis zum Start zu begleiten – und das alles, bevor wir das Ding überhaupt für die Wissenschaft nutzen – kann Jahrzehnte dauern. Ganze Karrieren wurden damit verbracht, einen einzigen Satelliten ins All zu schicken. Wohlgemerkt, der mit dem Nobelpreis ausgezeichnete NASA-Physiker John Mather hat bereits dazu beigetragen, zwei hochzuschicken.
In ihrem neuen Buch In der Sternenfabrik: Die Entstehung des James Webb-Weltraumteleskops, des größten und leistungsstärksten Weltraumobservatoriums der NASA, Der Autor Christopher Wanjek und der Fotograf Chris Gunn nehmen die Leser mit auf eine Tour hinter die Kulissen der Reise des James Webb-Weltraumteleskops von der Gründung bis zur Umlaufbahn. Wir verknüpfen Untersuchungen der radikalen Bildgebungstechnologie, die es uns ermöglicht, tiefer als je zuvor in das frühe Universum zu blicken, mit Profilen der Forscher, Berater, Manager, Ingenieure und Techniker, die dies durch drei Jahrzehnte harter Arbeit ermöglicht haben. Im Hitting the Books-Auszug dieser Woche werfen wir einen Blick auf den JWST-Projektwissenschaftler John Mather und seine eigene unwahrscheinliche Reise vom ländlichen New Jersey zur NASA.
Auszug aus „In der Sternenfabrik: Die Entstehung des James Webb-Weltraumteleskops, des größten und leistungsstärksten Weltraumobservatoriums der NASA„Copyright © 2023 von Chris Gunn und Christopher Wanjek. Verwendung mit Genehmigung des Herausgebers MIT Press.
John Mather, Projektwissenschaftler
— Die ruhige Hand hat die Kontrolle
John Mather ist ein geduldiger Mann. Es dauerte dreißig Jahre, bis er 2006 den Nobelpreis für Physik erhielt. Diese Auszeichnung für den unbeirrbaren Beweis des Urknalls basierte auf einer busgroßen Maschine namens COBE – einer weiteren NASA-Mission, die beinahe nicht stattgefunden hätte. Designdrama? War dort. Unvorhergesehene Verzögerungen bewältigen? Habe das gemacht. Die Wahl von Mather als JWST-Projektwissenschaftler durch die NASA war pure Vorsehung.
Wie Webb sollte COBE – der Cosmic Background Explorer – eine Zeitmaschine sein, um eine Momentaufnahme des frühen Universums zu offenbaren. Das Zielzeitalter war nur 370.000 Jahre nach dem Urknall, als das Universum noch ein Nebel aus Elementarteilchen ohne erkennbare Struktur war. Man nennt dies die Epoche der Rekombination, in der sich das heiße Universum auf einen Punkt abkühlte, der es Protonen ermöglichte, sich mit Elektronen zu verbinden und die allerersten Atome zu bilden, hauptsächlich Wasserstoff mit einer Prise Helium und Lithium. Als sich die Atome bildeten, lichtete sich der Nebel und das Universum wurde klar. Licht brach durch. Dieses uralte Licht, das vom Urknall selbst stammt, ist heute als Überbleibsel der Mikrowellenstrahlung bei uns, die als kosmischer Mikrowellenhintergrund bezeichnet wird.
Groß, aber nie imposant, fordernd, aber nie gemein, Mather ist eine Studie der Kontraste. Seine Kindheit verbrachte er nur eine Meile vom Appalachian Trail entfernt im ländlichen Sussex County, New Jersey, wo seine Freunde sich mit irdischen Dingen wie der Hausarbeit beschäftigten. Doch Mather, dessen Vater Spezialist für Tierhaltung und Statistik war, interessierte sich mehr für Naturwissenschaften und Mathematik. Im Alter von sechs Jahren begriff er das Konzept der Unendlichkeit, als er eine Seite in seinem Notizbuch mit einer sehr großen Zahl füllte und erkannte, dass er ewig so weitermachen konnte. Er lud sich mit Büchern aus einer mobilen Bibliothek ein, die alle paar Wochen die Farmen besuchte. Sein Vater arbeitete für die Landwirtschafts-Experimentierstation der Rutgers University und hatte auf der Farm ein Labor mit Radioisotopengeräten zur Untersuchung des Stoffwechsels und Flüssigstickstofftanks mit gefrorenem Bullensperma. Sein Vater war um 1960 auch einer der ersten Computernutzer in der Gegend und führte Aufzeichnungen über die Milchproduktion von 10.000 Kühen auf gelochten IBM-Karten. Seine Mutter, eine Grundschullehrerin, war ebenfalls sehr gebildet und förderte das Interesse des jungen John an Naturwissenschaften.
Die Chance, das ganze Jahr über warmes Wetter zu genießen, führte Mather schließlich 1968 an die University of California in Berkeley, um dort ein Physikstudium zu absolvieren. Er schloss sich einer Menschenmenge an, die von dem neu entdeckten kosmischen Mikrowellenhintergrund fasziniert war, der 1965 von den Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson zufällig entdeckt wurde. Sein Doktorvater erfand ein Ballonexperiment, um das Spektrum bzw. die Farbe dieser Strahlung zu messen und so festzustellen, ob sie tatsächlich vom Urknall stammte. (Das ist der Fall.) Das nächste Offensichtliche war, eine Karte dieses Lichts zu erstellen, um, wie die Theorie vorschlägt, zu sehen, ob die Temperatur am Himmel auch nur geringfügig schwankte. Und Jahre später stellten er und sein COBE-Team genau das fest: Anisotropie, eine ungleiche Energieverteilung. Diese Temperaturschwankungen im Mikrogradbereich implizieren Schwankungen der Materiedichte, die ausreichen, um die Expansion zumindest lokal zu stoppen. Durch den Einfluss der Schwerkraft würde sich Materie in kosmischen Seen sammeln, um Hunderte Millionen Jahre später Sterne und Galaxien zu bilden. Im Wesentlichen haben Mather und sein Team ein Sonogramm des Säuglingsuniversums aufgenommen.
Doch die COBE-Mission war wie Webb von Rückschlägen geplagt. Mather und das Team schlugen das Missionskonzept 1976 (zum zweiten Mal) vor. Die NASA akzeptierte den Vorschlag, erklärte jedoch in diesem Jahr, dass dieser Satellit und die meisten anderen von da an mit dem Space Shuttle in die Umlaufbahn gebracht würden, das selbst still stand in Entwicklung. Die Geschichte würde die Dummheit eines solchen Plans offenbaren. Mather verstand sofort. Dadurch wurde das Design von COBE mit dem Frachtraum des ungebauten Shuttles verknüpft. Ingenieure müssten die genauen Massen- und Volumenanforderungen eines noch nicht geflogenen Schiffs erfüllen. Noch problematischer war, dass COBE eine polare Umlaufbahn erforderte, was für das Space Shuttle schwierig zu erreichen war. Als nächstes musste das COBE-Team Budgetkürzungen und Kompromisse beim Design von COBE hinnehmen, da die Kosten für eine andere bahnbrechende Weltraummission, den Infrarot-Astronomischen Satelliten (IRAS), überschritten wurden. Dennoch ging die mühsame Arbeit weiter, Instrumente zu entwickeln, die empfindlich genug sind, um Temperaturschwankungen nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt, etwa −270 °C, zu erkennen. Ab 1980 war Mather jeden Tag den ganzen Tag mit der Entwicklung von COBE beschäftigt. Das Team musste Abstriche machen und riskante Entscheidungen treffen, um das Budget einzuhalten. Es kam die Nachricht, dass COBE 1988 im Rahmen der Space-Shuttle-Mission STS-82-B vom Luftwaffenstützpunkt Vandenberg aus gestartet werden sollte. Alle Systeme gehen.
Dann explodierte 1986 das Space Shuttle Challenger und tötete alle sieben Besatzungsmitglieder. Die NASA hat Shuttle-Flüge auf unbestimmte Zeit eingestellt. COBE, das jetzt an die Shuttle-Spezifikationen gebunden ist, konnte nicht mit irgendeinem anderen Raketensystem starten. COBE war zu diesem Zeitpunkt zu groß für eine Delta-Rakete; Ironischerweise hatte Mather in seiner ersten Skizze im Jahr 1974 das Delta im Sinn. Das Team suchte nach einer Trägerrakete in Europa, aber das kam für die NASA kaum in Frage. Stattdessen führten die Projektmanager eine Neukonstruktion durch, um Hunderte Pfund einzusparen und die Startmasse auf 5.000 Pfund zu reduzieren, mit Treibstoff, der nur ein paar Pfund innerhalb der Grenzen eines Deltas liegen würde. Oh, und McDonnell Douglas musste eine Delta-Rakete aus Ersatzteilen bauen, da er gezwungen war, die Serie zugunsten des Space Shuttles einzustellen.
Das Team arbeitete in den nächsten zwei Jahren rund um die Uhr. Die letzte Designherausforderung war … warten Sie … ein Sonnenschutz, der nun in die Rakete gefaltet und im Orbit per Feder freigegeben werden musste, ein neuartiger Ansatz. COBE erhielt grünes Licht für den Start von der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien, dem ursprünglich gewünschten Standort, da er im Vergleich zum Start eines Shuttles von Florida aus einen einfacheren Zugang zu einer Polarumlaufbahn ermöglichen würde. Der Start war für November 1989 geplant. COBE wurde mehrere Monate zuvor ausgeliefert.
Dann, am 17. Oktober, bebte der Boden in Kalifornien heftig. Ein Erdbeben der Stärke 6,9 erschütterte Santa Cruz County und verursachte weitreichende Schäden an Gebäuden. Vandenberg, etwa 200 Meilen südlich, spürte den Schock. Wie es der Zufall wollte, konnte COBE nur deshalb sicher befestigt werden, weil zwei der Ingenieure, die sich darum kümmerten, es an dem Tag vor der Hochzeit sicherten. Das Instrument erlitt keine Schäden und startete am 18. November erfolgreich. Am Starttag sorgten die starken Winde für noch mehr Drama. In den ersten Betriebswochen folgten unzählige Sorgen: Der Kryostat kühlte zu schnell ab; Sonnenlicht, das vom Eis der Antarktis reflektiert wurde, verursachte verheerende Schäden im Energiesystem; Eingeschlossene Elektronen und Protonen in den Van-Allen-Gürteln störten die Funktion der Elektronik. und so weiter.
Alle Verzögerungen, all das Drama verblassten für Mather in einer fernen Erinnerung, als die Ergebnisse des COBE-Experiments bekannt wurden. Die Zusammenstellung der Daten würde vier Jahre dauern. Aber die Ergebnisse waren überwältigend. Das erste Ergebnis kam Wochen nach dem Start, als Mather der American Astronomical Society das Spektrum zeigte und stehende Ovationen erhielt. Der Urknall war als Theorie sicher. Zwei Jahre später, bei einem Treffen der American Physical Society im April 1992, zeigte das Team seine erste Karte. Die Daten stimmten perfekt mit der Theorie überein. Dies war das Nachglühen des Urknalls, das die Keime enthüllte, die zu Sternen und Galaxien heranwachsen würden. Der Physiker Stephen Hawking nannte es „die wichtigste Entdeckung des Jahrhunderts, wenn nicht aller Zeiten“.
Mather sprach bei seiner Nobelpreis-Dankesrede im Jahr 2006 bescheiden über die Entdeckung und würdigte dabei sein bemerkenswertes Team und seinen Kollegen George Smoot, der sich in diesem Jahr den Preis mit ihm teilte. Aber er spielte die Leistung nicht herunter. Er bemerkte, dass er von der nun breiteren „Anerkennung, dass unsere Arbeit genauso wichtig ist, wie es die Menschen in der Welt der professionellen Astronomie seit so langer Zeit wissen“ begeistert sei.
Mather behält diesen Realismus auch heute noch bei. Er war zwar besorgt über Verzögerungen, drohende Absagen, Kostenüberschreitungen und nicht allzu subtile Feindseligkeiten in der breiteren Wissenschaftsgemeinschaft über das „Teleskop, das die Astronomie gefressen hat“, ließ aber weder ihn noch sein Team davon verzehren. „Es hat keinen Sinn, mit den Gefühlen anderer Menschen umgehen zu wollen“, sagte er. „Ein großer Teil der Community ist der Meinung: ‚Wenn es mein Nickel wäre, würde ich es anders ausgeben.‘ Aber es ist nicht ihr Nickel; Und der Grund, warum wir das Nickel überhaupt haben, ist, dass die NASA sich unglaublich großen Herausforderungen stellt. Der Kongress stimmte zu, dass wir uns großen Herausforderungen stellen. Und große Herausforderungen sind nicht umsonst. Ich habe das Gefühl, dass der einzige Grund, warum wir bei der NASA ein Astronomieprogramm haben, an dem sich jeder erfreuen – oder über das man sich beschweren kann – darin besteht, dass wir erstaunlich schwierige Projekte durchführen. Wir gehen bis an den Rand des Möglichen.“
Webb sei nicht nur ein bisschen besser als das Hubble-Weltraumteleskop, fügte Mather hinzu; es ist hundertmal stärker. Doch seine größte Sorge beim Missionsdesign galten nicht den fortschrittlichen astronomischen Instrumenten, sondern vielmehr dem massiven Sonnenschutz, der sich entfalten musste. In alle Instrumente und Einsatzmechanismen wurde Redundanz eingebaut; Es gibt zwei oder mehr Möglichkeiten, sie zum Laufen zu bringen, wenn die primäre Methode fehlschlägt. Aber das ist nicht das einzige Problem bei einem Sonnenschutz. Es würde entweder funktionieren oder nicht.
Jetzt kann sich Mather ganz auf die Wissenschaft konzentrieren, die er braucht. Er erwartet Überraschungen; er wäre überrascht, wenn es keine Überraschungen gäbe. „Fast alles in der Astronomie kommt überraschend“, sagte er. „Wenn Sie neue Ausrüstung haben, werden Sie eine Überraschung erleben.“ Seine Vermutung ist, dass Webb etwas Seltsames über das frühe Universum enthüllen könnte, vielleicht eine Fülle von kurzlebigen, noch nie zuvor gesehenen Objekten, die etwas über dunkle Energie aussagen, die mysteriöse Kraft, die die Expansion des Universums zu beschleunigen scheint, oder über das, was ebenso mysteriös ist Dunkle Materie. Er kann es auch kaum erwarten, bis Webb seine Kameras auf Alpha Centauri richtet, das der Erde am nächsten gelegene Sternensystem. Was wäre, wenn es dort einen Planeten gäbe, der zum Leben geeignet wäre? Webb sollte über die Empfindlichkeit verfügen, Moleküle in seiner Atmosphäre zu erkennen, sofern vorhanden.
„Das wäre cool“, sagte Mather. Hinweise auf Leben im nächsten Sternensystem? Ja, cool, in der Tat.