Ein internationales Team von Astronomen gab heute die Entdeckung der beiden ältesten und am weitesten entfernten Galaxien bekannt, die jemals beobachtet wurden. Sie stammen aus der Zeit von nur 300 Millionen Jahren nach dem Urknall. Diese Ergebnisse, die mit dem James Webb Space Telescope (JWST) der NASA erzielt wurden, stellen einen wichtigen Meilenstein in der Erforschung des frühen Universums dar.
Die Entdeckungen wurden vom JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)-Team gemacht. Daniel Eisenstein vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) ist einer der Teamleiter von JADES und leitender Forscher des Beobachtungsprogramms, das diese Galaxien entdeckte. Ben Johnson und Phillip Cargile, beide Forscher am CfA, und Zihao Wu, ein Harvard-Doktorand am CfA, spielten ebenfalls eine wichtige Rolle.
Aufgrund der Ausdehnung des Universums wird das Licht von weit entfernten Galaxien auf seinem Weg länger und erhält längere Wellenlängen. Dieser Effekt ist bei diesen beiden Galaxien so extrem, dass ihr ultraviolettes Licht in den infraroten Wellenlängenbereich verschoben wird, wo es nur vom JWST gesehen werden kann. Da Licht Zeit braucht, um sich zu bewegen, werden auch weiter entfernte Galaxien so gesehen, wie sie früher waren.
Die beiden Rekordgalaxien heißen JADES-GS-z14-0 und JADES-GS-z14-1, wobei erstere die weiter entfernte der beiden ist. JADES-GS-z14-0 ist nicht nur der neue Entfernungsrekordhalter, sondern zeichnet sich auch durch ihre Größe und Helligkeit aus.
„Die Größe der Galaxie beweist eindeutig, dass das meiste Licht von einer großen Zahl junger Sterne erzeugt wird“, sagte Eisenstein, Professor an der Harvard-Universität und Vorsitzender der Fakultät für Astronomie. „Und nicht von Material, das auf ein supermassereiches schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie fällt, das viel kleiner erscheinen würde.“
Die Kombination aus extremer Helligkeit und der Tatsache, dass diese hohe Leuchtkraft von jungen Sternen erzeugt wird, macht JADES-GS-z14-0 zum bislang eindrucksvollsten Beweis für die schnelle Entstehung großer, massereicher Galaxien im frühen Universum.
„JADES-GS-z14-0 wird nun zum Archetyp dieses Phänomens“, sagt Dr. Stefano Carniani von der Scuola Normale Superiore in Pisa, Hauptautor der Entdeckungspapier„Es ist erstaunlich, dass das Universum in nur 300 Millionen Jahren eine solche Galaxie erschaffen kann.“
Hinweise auf überraschend dynamische frühe Galaxien tauchten bereits in den ersten JWST-Bildern auf und haben sich in den ersten beiden Jahren der Mission gehäuft. Dieser Trend steht im Widerspruch zu den Erwartungen, die die meisten Astronomen vor dem Start des JWST an Theorien zur Galaxienentstehung hatten.
JADES-GS-z14-0 war für das JADES-Team ein Rätsel, als es es vor über einem Jahr zum ersten Mal entdeckte, da es am Himmel so nahe an einer Vordergrundgalaxie erscheint, dass das Team nicht sicher sein konnte, dass die beiden nicht Nachbarn waren. Doch im Oktober 2023 führte das JADES-Team noch tiefergehende Aufnahmen durch – fünf volle Tage lang mit der Nahinfrarotkamera des JWST auf nur einem Feld – und verwendete Filter, die entwickelt wurden, um die frühesten Galaxien besser zu isolieren.
„Wir konnten einfach keine plausible Erklärung dafür finden, dass diese Galaxie bloß ein Nachbar der näheren Galaxie ist“, sagt Dr. Kevin Hainline, Forschungsprofessor an der University of Arizona.
Die Galaxie befindet sich in einem Feld, in dem das Mittelinfrarotinstrument des JWST eine ultratiefe Beobachtung durchgeführt hat. Ihre Helligkeit bei mittleren Infrarotwellenlängen ist ein Zeichen für die Emission von Wasserstoff- und sogar Sauerstoffatomen im frühen Universum.
„Obwohl die Galaxie so jung ist, arbeitet sie bereits intensiv an der Schaffung der Elemente, die wir auf der Erde kennen“, sagte Zihao Wu, ein Co-Autor einer zweites Papier über diese Entdeckung, geleitet von Jakob Helton, einem Doktoranden der University of Arizona.
Ermutigt erstellte das Team anschließend ein Spektrum jeder Galaxie und bestätigte damit seine Hoffnung, dass es sich bei JADES-GS-z14-0 tatsächlich um eine Rekordgalaxie handelte und dass der schwächere Kandidat, JADES-GS-z14-1, fast genauso weit entfernt war.
A drittes Papier Unter der Leitung von Brant Robertson, Professor an der University of California-Santa Cruz, und Ben Johnson wird die Evolution dieser frühen Galaxienpopulation untersucht.
„Dieses erstaunliche Objekt zeigt, dass die Entstehung von Galaxien im frühen Universum sehr schnell und intensiv war“, sagte Johnson, „und JWST wird es uns ermöglichen, mehr dieser Galaxien zu finden, vielleicht sogar, als das Universum noch jünger war. Es ist eine wunderbare Gelegenheit, die Entstehung von Galaxien zu untersuchen.“
Alle drei Artikel sind derzeit verfügbar auf der arXiv Preprint-Server.
Mehr Informationen:
Eine strahlende kosmische Morgendämmerung: spektroskopische Bestätigung zweier leuchtender Galaxien bei z∼14, arXiv:2405.18485 [astro-ph.GA] arxiv.org/abs/2405.18485
JWST/MIRI-Photometrische Erkennung des Sternkontinuums und der Nebelemission in einer Galaxie bei z>14 bei 7,7 μm, arXiv:2405.18462 [astro-ph.GA] arxiv.org/abs/2405.18462
Brant Robertson et al., Früheste Galaxien im JADES-Ursprungsfeld: Leuchtkraftfunktion und kosmische Sternentstehungsratendichte 300 Millionen Jahre nach dem Urknall, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2312.10033