Infrarotbilder: Wie macht man sie sichtbar?

Warum im Infrarotbereich beobachten?

Ein Fenster zum Unsichtbaren

Das menschliche Auge sieht nur einen sehr schmalen Teil des Lichtspektrums, vom Violett bis zum Rot. Das Infrarot liegt direkt jenseits des Roten, mit längeren Wellenlängen als die des sichtbaren Lichts. Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) wurde entwickelt, um dieses Licht zu beobachten, hauptsächlich in seinen nahen und mittleren Bereichen.

Die Schleier des Staubes durchdringen

Entstehende Sterne sind oft in Wolken aus Staub und Gas gehüllt. Staubkörner absorbieren und streuen sichtbares Licht stärker als lange Infrarotwellenlängen: Infrarot ermöglicht es daher, diese Wolken zu durchdringen und die dahinter verborgenen Sterne zu beobachten.

Dank seiner Infrarotinstrumente (NIRCam, NIRSpec, MIRI, FGS/NIRISS) kann JWST auch die sehr schwachen Wärmeemissionen von Exoplaneten nachweisen und Objekte untersuchen, die im sichtbaren Bereich nicht hell genug leuchten, um anders entdeckt zu werden.

Die Grenzen des Universums beobachten

Die Expansion des Universums dehnt die Wellenlängen des von fernen Objekten ausgesandten Lichts: Ihr Licht wird rotverschoben und geht dann in den Infrarotbereich über. Diese als Redshift bezeichnete Verschiebung ist umso größer, je weiter das Objekt entfernt ist.

Im Jahr 2025 bestätigte JWST die Galaxie MoM-z14 mit einer Rotverschiebung von 14,44, beobachtet etwa 280 Millionen Jahre nach dem Urknall: Sie ist damit die bislang am weitesten entfernte Galaxie, deren Entfernung spektroskopisch bestätigt wurde. Dieser Rekord wurde vom Teleskop selbst bereits mehrfach gebrochen und könnte erneut gebrochen werden.

Ein bis an die Grenze gekühltes Teleskop

Warum Kälte unverzichtbar ist

Ein Infrarotinstrument muss auf sehr niedriger Temperatur gehalten werden, da sonst seine eigene Wärme das schwache Signal aus dem Weltraum übertönen würde. Die Instrumente des JWST arbeiten bei etwa 40 K (rund −233 °C), und ein großer Sonnenschild schützt die gesamte Baugruppe vor der Wärme der Sonne und der Erde.

Der Sonderfall MIRI

Das Instrument MIRI, das das mittlere Infrarot bis 28 µm beobachtet, erfordert eine noch intensivere Kälte: Es wird dank eines bord eigenen Kryokühlers unter 6,7 K gehalten, also etwa −266 °C. Ohne diese Vorsichtsmaßnahme würde es durch seine eigene Wärmeemission geblendet.

Vom Infrarot zu sichtbaren Farben

Die Verarbeitung der Rohdaten

Die von den Instrumenten aufgenommenen Infrarotdaten werden mit Computeralgorithmen verarbeitet und in Farben umgewandelt. Diese Farben entsprechen nicht den tatsächlichen Farben des beobachteten Objekts, sondern Intensitäten, die in präzisen Wellenlängenbändern gemessen wurden. JWST zeichnet in Wirklichkeit Graustufenbilder auf, eines pro Filter.

Das STScI, das Webbs Bilder verwaltet, spricht lieber von repräsentativen Farben als von Falschfarben: Die Töne geben eine gemessene Realität wieder, ohne zu beanspruchen, das wiederzugeben, was ein Beobachter in der Nähe des Objekts sehen würde.

Die chromatische Ordnung

Der Infrarotbereich gliedert sich in drei Unterbereiche: das nahe Infrarot (0,75 bis 1,5 µm), das mittlere Infrarot (1,5 bis 30 µm) und das ferne Infrarot (30 µm bis 1 mm). JWST deckt vor allem die ersten beiden ab.

Die Infrarotwellenlängen werden dann nach einem Prinzip namens „chromatische Ordnung" in die Farben des Regenbogens umgewandelt: Die längsten erhalten Rottöne, die kürzesten Blautöne. Dieser Ansatz verbessert die Vermittlung von Informationen: Dieselben Farben stehen von einer Visualisierung zur anderen für dieselben Informationen, und die Bilder bleiben angenehm anzusehen und zu verstehen.

Die Transposition der Wellenlängen

Dazu verschieben Bildentwickler die Infrarotwellenlängen in den sichtbaren Teil des Spektrums, damit unsere Augen sie unterscheiden können. Es ist genau wie die Transposition einer am Klavier gespielten Arie in eine andere Tonart: Der Pianist ändert die Tonhöhe aller Noten um ein konstantes Intervall und bewahrt dabei die Beziehungen zwischen diesen Noten. In beiden Fällen bleibt die Melodie dieselbe.

Die Anwendung der Filter

Bildverarbeitungsspezialisten wenden anschließend Filter an: einen Rotfilter auf die entfernteste Wellenlänge, einen Grünfilter auf die mittlere Wellenlänge, einen Blaufilter auf die nächstgelegene Wellenlänge und manchmal einen Schmalbandfilter, der orange eingefärbt wird. Die von der NASA veröffentlichten Bildunterschriften geben übrigens den jedem Farbton zugeordneten Filter an: Für den mit NIRCam beobachteten Tarantelnebel ist F090W blau, F200W grün, F335M orange und F444W rot.

Nach dem Übereinanderlegen der Filter erhalten die Entwickler ein erstes koloriertes Bild, das interessanter, aber ästhetisch noch nicht zufriedenstellend ist. Hier kommt die menschliche Kreativität ins Spiel: Die Bildentwickler setzen ihren künstlerischen Sinn ein, im Dialog mit den Wissenschaftlern.

Bei diesen Bearbeitungen verbessern sich Details und Qualität schrittweise. Die Retuschen verstärken Kontrast und Schärfe, ohne die Information zu verändern: Sie können Rauschen und Artefakte entfernen, aber sie erfinden kein Objekt, das in den Daten nicht vorhanden ist. Das Ziel bleibt vor allem, ein schönes und den Messungen treues Bild zu erzeugen.

Die Tarantel kleidet sich in Infrarotlicht

Der Tarantelnebel enthüllt

Der Tarantelnebel (30 Doradus) liegt in der Großen Magellanschen Wolke, etwa 161.000 Lichtjahre entfernt, und ist die größte und hellste Sternentstehungsregion der Lokalen Gruppe, also der Gesamtheit der Galaxien in der Nähe der Milchstraße. Die Nahinfrarotkamera (NIRCam) von Webb enthüllt Zehntausende junge Sterne, die nie zuvor beobachtet wurden und vom Staub verborgen waren.

Wenn das mittlere Infrarot den Staub durchdringt

Im von MIRI beobachteten mittleren Infrarot verändert die Region ihr Aussehen: Die heißen Sterne im Zentrum verblassen, während das kältere Gas und der Staub sichtbar werden. Lichtpunkte weisen auf noch vergrabene Protosterne hin, die weiterhin Materie ansammeln.

Ein Stern, der seinen Kokon verlässt

Beobachtungen des NIRSpec-Spektrographen in integraler Feldspektroskopie ermöglichten es, eine im NIRCam-Bild erkannte blasenartige Struktur genauer zu bestimmen. Die Spektren zeigen, dass es sich nicht um eine von einem jungen Stern aufgeblasene Blase handelt, sondern um die Spitze einer dichten Säule aus Gas und Staub, die von der Strahlung benachbarter massereicher Sterne geformt wurde. Der Stern, noch von diesem Kokon geschützt, beginnt gerade erst, aus ihm herauszutreten.

Und morgen?

Die Ablösung durch das Nancy-Grace-Roman-Teleskop

Das Nancy Grace Roman-Teleskop der NASA wird ebenfalls ein Infrarotteleskop sein, aber dafür ausgelegt, weite Himmelsbereiche statt isolierter Ziele zu beobachten. Sein Start ist bereits für Ende 2026 vorgesehen. Es wird JWST ergänzen, das sich durch die detaillierte Untersuchung präziser Objekte auszeichnet, und zwar durch großflächige Durchmusterungen.

Was man sich merken sollte

Ein Schlüssel der modernen Kosmologie

Zusammenfassend erweist sich die Beobachtung im Infrarot als unverzichtbarer Schlüssel der modernen Kosmologie: Sie offenbart Regionen, die das sichtbare Licht nicht erreichen kann, durchdringt die Staubschleier, die die Sternkinderstuben verbergen, und enthüllt kalte und ferne Objekte, die jede andere Methode im Dunkeln ließe.

Ein Fenster zum Unsichtbaren

Dank dieses Fensters zum Unsichtbaren können Astronomen heute die Geburt der Sterne nachzeichnen, die Atmosphären von Exoplaneten erforschen, den Zusammenbau der Galaxien über Milliarden von Jahren rekonstruieren und sich den allerersten Kapiteln der Entwicklung des Universums nähern.