Am 20. Juni 2022 verbrachte das James-Webb-Weltraumteleskop etwas mehr als eine Stunde damit, Messier 92 (M92) anzustarren, einen 27.000 Lichtjahre entfernten Kugelsternhaufen im Halo der Milchstraße. Die Beobachtung – eine der allerersten wissenschaftlichen Beobachtungen von Webb – ist Teil des Early Release Science (ERS)-Programms 1334, eines von 13 ERS-Programmen, die Astronomen dabei helfen sollen, die Verwendung von Webb zu verstehen und das Beste aus seinen wissenschaftlichen Fähigkeiten zu machen.
Die NASA sprach mit Matteo Correnti von der italienischen Weltraumagentur; Alessandro Savino von der University of California, Berkeley; Roger Cohen von der Rutgers University; und Andy Dolphin von Raytheon Technologies, um mehr über Webbs Beobachtungen von M92 zu erfahren und wie das Team die Daten nutzt, um anderen Astronomen zu helfen. (Im vergangenen November sprach Kristen McQuinn mit der NASA über ihre Arbeit an der Zwerggalaxie WLM, die ebenfalls Teil dieses Programms ist.)
Erzählen Sie uns von diesem ERS-Programm. Was versuchst du zu erreichen?
Alessandro Savino: Dieses spezielle Programm konzentriert sich auf aufgelöste Sternpopulationen. Dies sind große Gruppen von Sternen wie M92, die sehr nahe sind – nahe genug, dass Webb die einzelnen Sterne im System herausgreifen kann. Aus wissenschaftlicher Sicht sind Beobachtungen wie diese sehr spannend, weil wir aus unserer kosmischen Nachbarschaft viel über die Physik von Sternen und Galaxien lernen, die wir auf Objekte übertragen können, die wir viel weiter entfernt sehen.
Matteo Correnti: Wir versuchen auch, das Teleskop besser zu verstehen. Dieses Projekt war maßgeblich für die Verbesserung der Kalibrierung (um sicherzustellen, dass alle Messungen so genau wie möglich sind), für die Verbesserung der Daten für andere Astronomen und andere ähnliche Projekte.
Warum haben Sie sich gerade für M92 entschieden?
Savino: Kugelsternhaufen wie M92 sind sehr wichtig für unser Verständnis der Sternentwicklung. Seit Jahrzehnten sind sie ein primärer Bezugspunkt für das Verständnis, wie Sterne funktionieren, wie Sterne sich entwickeln. M92 ist ein klassischer Kugelsternhaufen. Es ist in der Nähe; wir verstehen es relativ gut; es ist eine unserer Referenzen in Studien zur Sternentwicklung und zu Sternsystemen.
Correnti: Ein weiterer Grund, warum M92 wichtig ist, ist, dass er einer der ältesten Kugelhaufen in der Milchstraße ist, wenn nicht sogar der älteste. Wir glauben, dass M92 zwischen 12 und 13 Milliarden Jahre alt ist. Es enthält einige der ältesten Sterne, die wir finden können oder die wir zumindest gut auflösen und charakterisieren können. Wir können nahegelegene Cluster wie diesen als Tracer des sehr alten Universums verwenden.
Roger Cohen: Wir haben uns auch für M92 entschieden, weil es sehr dicht ist: Es gibt viele Sterne, die sehr dicht beieinander liegen. (Das Zentrum des Haufens ist tausendmal dichter als die Region um die Sonne.) Wenn wir M92 betrachten, können wir testen, wie sich Webb in diesem speziellen Regime verhält, in dem wir Messungen an sehr nahe beieinander liegenden Sternen vornehmen müssen.
Was sind die Eigenschaften eines Kugelsternhaufens, die ihn nützlich machen, um zu untersuchen, wie sich Sterne entwickeln?
Andy Dolphin: Eines der wichtigsten Dinge ist, dass der Großteil der Sterne in M92 ungefähr zur gleichen Zeit und mit ungefähr der gleichen Mischung von Elementen, aber mit einer großen Bandbreite an Massen entstanden wäre. So können wir uns einen wirklich guten Überblick über diese besondere Sternenpopulation verschaffen.
Savino: Da die Sterne alle zum selben Objekt gehören (derselbe Kugelsternhaufen M92), wissen wir, dass sie alle etwa gleich weit von uns entfernt sind. Das hilft uns sehr, weil wir wissen, dass Helligkeitsunterschiede zwischen den verschiedenen Sternen intrinsisch sein müssen und nicht nur davon abhängen, wie weit sie entfernt sind. Es macht den Vergleich mit Modellen viel, viel einfacher.
Dieser Sternhaufen wurde bereits mit dem Hubble-Weltraumteleskop und anderen Teleskopen untersucht. Was können wir mit Webb sehen, das wir noch nicht gesehen haben?
Cohen: Einer der wichtigen Unterschiede zwischen Webb und Hubble ist, dass Webb bei längeren Wellenlängen arbeitet, wo sehr kühle, massearme Sterne den größten Teil ihres Lichts abgeben. Webb ist gut darauf ausgelegt, sehr kühle Sterne zu beobachten. Wir waren tatsächlich in der Lage, Sterne mit der geringsten Masse zu erreichen – Sterne mit weniger als 0,1 Sonnenmasse. Das ist interessant, weil dies sehr nahe an der Grenze liegt, wo Sterne aufhören Sterne zu sein. (Unterhalb dieser Grenze befinden sich Braune Zwerge, die so massearm sind, dass sie keinen Wasserstoff in ihren Kernen entzünden können.)
Correnti: Webb ist auch viel schneller. Um die sehr schwachen massearmen Sterne mit Hubble zu sehen, benötigen Sie Hunderte von Stunden Teleskopzeit. Mit Webb dauert es nur wenige Stunden.
Cohen: Diese Beobachtungen waren eigentlich nicht darauf ausgelegt, die Grenzen des Teleskops auszureizen. Es ist also sehr ermutigend zu sehen, dass wir immer noch in der Lage waren, so kleine, schwache Sterne zu entdecken, ohne uns wirklich, wirklich sehr anstrengen zu müssen.
Was ist so interessant an diesen massearmen Sternen?
Savino: Zunächst einmal sind sie die zahlreichsten Sterne im Universum. Zweitens sind sie aus theoretischer Sicht sehr interessant, weil sie schon immer sehr schwer zu beobachten und zu charakterisieren waren. Besonders Sterne mit weniger als der Hälfte der Sonnenmasse, bei denen unser derzeitiges Verständnis von Sternmodellen etwas unsicherer ist.
Correnti: Die Untersuchung des Lichts, das diese massearmen Sterne aussenden, kann uns auch dabei helfen, das Alter des Kugelsternhaufens besser einzugrenzen. Das hilft uns, besser zu verstehen, wann sich verschiedene Teile der Milchstraße (wie der Halo, in dem sich M92 befindet) gebildet haben. Und das hat Auswirkungen auf unser Verständnis der kosmischen Geschichte.
Es sieht so aus, als gäbe es in der Mitte des aufgenommenen Bildes eine große Lücke. Was ist das und warum ist es da?
Delfin: Dieses Bild wurde mit der Nahinfrarotkamera (NIRCam) von Webb erstellt. NIRCam hat zwei Module mit einer „Chip-Lücke“ zwischen den beiden. Das Zentrum des Clusters ist extrem überfüllt, extrem hell. Das hätte also den Nutzen der Daten aus dieser Region eingeschränkt. Die Position dieser Bilder überschneidet sich gut mit bereits verfügbaren Hubble-Daten.
Eines Ihrer Hauptziele war es, Werkzeuge für andere Wissenschaftler bereitzustellen. Worauf freust du dich besonders?
Dolphin: Eine der wichtigsten Ressourcen, die wir entwickelt und der astronomischen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt haben, ist das sogenannte DOLPHOT NIRCam-Modul. Dies funktioniert mit einer vorhandenen Software, die verwendet wird, um die Helligkeit von Sternen und anderen nicht aufgelösten Objekten (Dingen mit einem sternähnlichen Aussehen) automatisch zu erkennen und zu messen. Dies wurde für Kameras auf Hubble entwickelt. Das Hinzufügen dieses Moduls für NIRCam (sowie eines für NIRISS, ein weiteres Instrument von Webb) ermöglicht Astronomen das gleiche Analyseverfahren, das sie von Hubble kennen, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass sie nun Hubble- und Webb-Daten in einem einzigen Durchgang analysieren können, um sie zu kombinieren -Teleskopsternkataloge.
Savino: Das ist eine wirklich große Community-Service-Komponente. Es ist für alle hilfreich. Es macht die Analyse viel einfacher.