Die Untersuchung, wie einzelne Sterne in Galaxien geboren werden und sterben, wie aus Überresten alter Sterne neue Sterne entstehen und wie Galaxien selbst wachsen, sind wichtige Themen der Astronomie, da sie Einblicke in unsere Wurzeln im Universum ermöglichen. Galaxienhaufen, eine der größten Strukturen im Universum, sind eine Ansammlung von mehr als 100 Galaxien, die durch gegenseitige Schwerkraft miteinander verbunden sind.
Beobachtungen nahegelegener Galaxien haben gezeigt, dass das Wachstum einer Galaxie von ihrer Umgebung abhängt, in dem Sinne, dass reife Sternpopulationen häufig in Regionen zu sehen sind, in denen sich Galaxien dicht ansammeln. Dies wird als „Umwelteffekt“ bezeichnet. Obwohl der Umwelteffekt als wichtiger Faktor für das Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Galaxien angesehen wird, ist nicht genau bekannt, wann dieser Effekt in der Geschichte des Universums begann.
Einer der Schlüssel zum Verständnis ist die Beobachtung der Vorfahren von Galaxienhaufen kurz nach der Geburt des Universums; Bekannt als Galaxien-Protohaufen (im Folgenden „Protohaufen“), handelt es sich dabei um Ansammlungen von etwa 10 entfernten Galaxien. Glücklicherweise ermöglicht uns die Astronomie, das ferne Universum so zu beobachten, wie es in der Vergangenheit war. Beispielsweise benötigt das Licht einer 13 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie 13 Milliarden Jahre, um die Erde zu erreichen. Wir beobachten also, wie diese Galaxie vor 13 Milliarden Jahren aussah.
Allerdings wird Licht, das sich 13 Milliarden Lichtjahre bewegt, schwächer, weshalb die Teleskope, die es beobachten, über eine hohe Empfindlichkeit und räumliche Auflösung verfügen müssen.
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Assistenzprofessor Takuya Hashimoto (Universität Tsukuba, Japan) und Forscher Javier Álvarez-Márquez (Spanisches Zentrum für Astrobiologie) hat das James Webb Space Telescope (JWST, Beobachtung von sichtbarem und infrarotem Licht) und das Atacama Large Millimeter verwendet /submillimeter Array (ALMA, Beobachtung von Radiowellen) zur Untersuchung der „Kernregion“ des Protoclusters A2744z7p9OD.
Der Protocluster A2744z7p9OD wurde aufgrund von Beobachtungen mit JWST durch eine andere Forschungsgruppe mit einer Entfernung von 13,14 Milliarden Lichtjahren als der am weitesten entfernte Protocluster angekündigt. „Allerdings konnten wir nicht die gesamte Kernregion, die Metropolregion, mit der größten Anzahl an Galaxienkandidaten in diesem Protohaufen beobachten. Es war unklar, ob die Umweltauswirkungen von Galaxien in diesem Protohaufen begonnen hatten. Also beschlossen wir, uns zu konzentrieren.“ „Unsere Forschung in der Kernregion“, sagt Hashimoto.
Das Forschungsteam beobachtete zunächst die Kernregion dieses Protoclusters mithilfe von JWST. Mit NIRSpec, einem Instrument, das Spektren im Wellenlängenbereich vom sichtbaren bis zum nahen Infrarot beobachtet, führte das Team integrale Feldspektroskopie-Beobachtungen durch, mit denen Spektren von allen Orten im Sichtfeld gleichzeitig erfasst werden können.
Das Team hat ionisiertes Sauerstoff-Ionen-Licht erfolgreich nachgewiesen ([OIII] 5008 Å) aus vier Galaxien in einem Vierecksbereich mit einer Seitenlänge von 36.000 Lichtjahren, was dem halben Radius der Milchstraßengalaxie entspricht. Basierend auf der Rotverschiebung dieses Lichts (der Verlängerung der Wellenlänge aufgrund der kosmischen Expansion) wurde die Entfernung der vier Galaxien von der Erde mit 13,14 Milliarden Lichtjahren identifiziert.
„Ich war überrascht, als wir vier Galaxien identifizierten, indem wir die Emission von Sauerstoffionen in fast der gleichen Entfernung detektierten. Die ‚Kandidatengalaxien‘ in der Kernregion waren tatsächlich Mitglieder des am weitesten entfernten Protohaufens“, sagt Yuma Sugahara (Waseda/NAOJ), der leitete die JWST-Datenanalyse.
Darüber hinaus achtete das Forschungsteam auf die archivierten ALMA-Daten, die für diese Region bereits erfasst wurden. Die Daten erfassen Radioemissionen von kosmischem Staub in diesen fernen Galaxien. Als Ergebnis der Analysen stellten sie Staubemissionen von drei der vier Galaxien fest.
Dies ist der erste Nachweis einer Staubemission in Mitgliedsgalaxien eines Protohaufens vor so langer Zeit. Es wird angenommen, dass kosmischer Staub in Galaxien durch Supernova-Explosionen am Ende der Entwicklung massereicher Sterne in den Galaxien entsteht, die das Material für neue Sterne liefern.
Das Vorhandensein großer Staubmengen in einer Galaxie weist daher darauf hin, dass viele der Sterne der ersten Generation in der Galaxie ihr Leben bereits abgeschlossen haben und dass die Galaxie wächst. Professor Luis Colina (El Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA)) beschreibt die Bedeutung der Ergebnisse: „Emission von kosmischem Staub wurde in Mitgliedsgalaxien des Protohaufens außerhalb der Kernregion nicht nachgewiesen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass viele Galaxien gehauft sind.“ in einer kleinen Region und dass das Galaxienwachstum beschleunigt wird, was darauf hindeutet, dass Umwelteinflüsse erst etwa 700 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten.“
Darüber hinaus führte das Forschungsteam eine Galaxienentstehungssimulation durch, um theoretisch zu testen, wie sich die vier Galaxien in der Kernregion bildeten und entwickelten. Die Ergebnisse zeigten, dass rund 680 Millionen Jahre nach dem Urknall eine Region dichter Gasteilchen existierte. In der Mitte bilden sich vier Galaxien, ähnlich der beobachteten Kernregion. Um die Entwicklung dieser vier Galaxien zu verfolgen, berechnete die Simulation physikalische Prozesse wie die Kinematik von Sternen und Gas, chemische Reaktionen, Sternentstehung und Supernovae.
Die Simulationen zeigten, dass die vier Galaxien innerhalb weniger zehn Millionen Jahre verschmelzen und sich zu einer einzigen größeren Galaxie entwickeln, was eine kurze Zeitskala in der Entwicklung des Universums darstellt.
„Aufgrund der hohen räumlichen Auflösung unserer Simulationen und der großen Anzahl an Galaxienproben, die wir haben, ist es uns gelungen, die Eigenschaften der Galaxien in der Kernregion zu reproduzieren. In Zukunft möchten wir den Entstehungsmechanismus der Kernregion und ihrer Umgebung erforschen.“ „Wir wollen die dynamischen Eigenschaften genauer untersuchen“, sagt Yurina Nakazato, eine Doktorandin an der Universität Tokio, die die Simulationsdaten analysiert hat.
Javier Álvarez-Márquez (Spanisches Zentrum für Astrobiologie) sagt: „Wir werden mit ALMA empfindlichere Beobachtungen des Protohaufens A2744z7p9OD durchführen, um zu sehen, ob es Galaxien gibt, die mit der vorherigen Empfindlichkeit nicht sichtbar waren. Wir werden auch das JWST und anwenden.“ ALMA-Beobachtungen, die sich als sehr aussagekräftig erwiesen haben, zu weiteren Protoclustern, um den Wachstumsmechanismus von Galaxien aufzuklären und unsere Wurzeln im Universum zu erforschen.“
Die Arbeit ist veröffentlicht in Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.
Mehr Informationen:
T. Hashimoto et al., Reionization and the ISM/Stellar Origins with JWST and ALMA (RIOJA): The Core of the Highest-redshift Galaxy Overdensity at z = 7.88, bestätigt durch NIRSpec/JWST, Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acf57c