Der segmentierte Hauptspiegel des James-Webb-Weltraumteleskops sammelt normalerweise möglichst viel Infrarotlicht, um lichtschwache Objekte abzubilden. Für besonders feine Strukturen verfolgt die Sternwarte jedoch eine scheinbar widersprüchliche Strategie: Eine Maske blockiert den größten Teil der Spiegelfläche und lässt nur genau ausgewählte Lichtwege offen.

Über die Ergebnisse berichtete NASA Blogs am Dienstag, 4. August. Drei Forschungsteams demonstrierten das Verfahren an einer stauberzeugenden Doppelsternumgebung, an zwei noch wachsenden Exoplaneten und an der vulkanisch geprägten Oberfläche des Jupitermondes Io.

Bei der Aperturmasken-Interferometrie, kurz AMI, wirken mehrere Öffnungen wie voneinander getrennte kleine Teleskope. Ihre Lichtwellen werden auf dem Detektor überlagert und erzeugen Interferenzmuster. Aus deren Kontrast und Phase lassen sich Abstände und Helligkeitsverteilungen ableiten, die in einer normalen Aufnahme nicht sauber voneinander getrennt wären.

Der Gewinn an Winkelauflösung kann unter geeigneten Bedingungen annähernd einen Faktor zwei erreichen. Dafür sinkt der Lichtdurchsatz, und die Auswertung wird erheblich anspruchsvoller. Kleine Kalibrierfehler können die Rekonstruktion beeinflussen, weshalb Vergleichssterne, instrumentelle Modelle und statistische Prüfungen eine zentrale Rolle spielen.

Das zuständige Webb-Instrument ist NIRISS, der Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph der kanadischen Weltraumagentur. Seine Aperturmaske ist so gestaltet, dass die verschiedenen Abstände zwischen den Öffnungen möglichst eindeutig bleiben. Dadurch können die Forscher die überlagerten Signale den jeweiligen Teilflächen des Hauptspiegels zuordnen.

Beim Doppelstern WR 137 treffen extrem kräftige Sternwinde aufeinander. Eine Komponente ist ein leuchtkräftiger Wolf-Rayet-Stern mit ungefähr zehn Sonnenmassen, die andere besitzt etwa 17 Sonnenmassen. Für einen gemeinsamen Umlauf benötigen die Sterne 13,1 Jahre. In der Kollisionszone wird Gas verdichtet und kann trotz der intensiven Strahlung so weit abkühlen, dass kleine Staubteilchen entstehen.

Das DustERS-Team löste schwache Emission in den inneren 100 bis 200 Astronomischen Einheiten dieser Region räumlich auf. Zum Vergleich liegt Neptun knapp 30 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt. Die physische Ausdehnung ist somit beträchtlich, erscheint wegen der großen Distanz des Systems am Himmel aber äußerst klein und wird zusätzlich vom Sternlicht überstrahlt.

Erwartet worden war eine windradartige Spirale. Solche Formen entstehen, wenn ein umlaufendes Sternpaar fortlaufend Staub erzeugt und das Material nach außen strömt. Stattdessen zeigte sich bei WR 137 eine nahezu gerade Struktur. Mögliche Erklärungen reichen von unterschiedlich starken Winden über eine besondere Blickrichtung bis zu zeitlich begrenzten Phasen der Staubbildung.

Computermodelle waren nötig, um die AMI-Messungen in eine belastbare Darstellung des Systems zu übersetzen. Gleichzeitig diente WR 137 als Testfall für neue Analysesoftware. Die astrophysikalische Bedeutung ist größer als die auffällige Geometrie: Staub aus massereichen Sternsystemen kann schwere Elemente im interstellaren Raum verteilen und später zum Ausgangsmaterial neuer Sterne und Planeten werden.

Bei PDS 70 beobachten Astronomen dagegen die Entstehung eines Planetensystems nahezu in Echtzeit. Der sonnenähnliche Stern ist rund fünf Millionen Jahre alt und etwa 370 Lichtjahre entfernt. In seiner gasreichen protoplanetaren Scheibe befinden sich PDS 70 b und c, zwei direkt abgebildete Riesenplaneten, die weiterhin Materie aufnehmen.

Mit AMI wurde ihre Helligkeit bei 4,8 Mikrometern erstmals präzise bestimmt. Beide Objekte strahlen in diesem Bereich stärker, als reine Atmosphärenmodelle erwarten lassen. Der Überschuss passt zu umgebendem Material mit einer Temperatur von ungefähr minus 50 Grad Celsius und spricht damit für einen messbaren Beitrag zirkumplanetarer Strukturen.

Solche Strukturen könnten die Zufuhr von Gas und Staub auf die Planeten steuern und langfristig auch Material für Monde bereitstellen. Im mittleren Infrarot kann der innere Rand einer Akkretionsscheibe ähnlich hell sein wie der Planet selbst. Beobachtungen in weiteren Spektralbändern sollen daher klären, welcher Anteil aus der Atmosphäre und welcher aus der unmittelbaren Umgebung stammt.

Für Io musste das Team die Auswertung erneut anpassen. Der Mond weist eine komplexe Helligkeitsverteilung auf und hatte während der Messungen eine Ausdehnung, die klassische Rekonstruktionsverfahren an ihre Grenzen brachte. Neuronale Netze übernahmen deshalb die Aufgabe, aus den Interferenzdaten räumliche Muster zu gewinnen.

Fünf Bilder innerhalb von etwa 30 Minuten zeigten mehrere vulkanische Wärmeregionen sowie großflächige Emission. Vorherrschende Strukturen von rund 362 Kilometern Größe dürften einzelnen Vulkangebieten entsprechen. Merkmale auf Skalen um 580 Kilometer könnten mit bereits bekanntem Schwefeldioxidfrost zusammenhängen. Ergänzende Daten des Keck-II-Teleskops stimmten mit den Resultaten überein und lieferten eine externe Kontrolle.

Die Studien verdeutlichen, dass Fortschritte bei Weltraumteleskopen nicht allein durch immer größere Spiegel entstehen. Spezielle Masken, genaue Kalibrierung, physikalische Simulationen und lernende Algorithmen können die vorhandene Hardware effizienter nutzen. Für künftige Projekte wie das geplante Habitable Worlds Observatory ist diese Erfahrung entscheidend, weil die direkte Abbildung erdähnlicher Welten extreme Winkelauflösung und eine präzise Unterdrückung des Sternlichts verlangen wird.