Das Webb-Teleskop beweist, dass Galaxien das frühe Universum verändert haben

Im frühen Universum war das Gas zwischen Sternen und Galaxien undurchsichtig – energiereiches Sternenlicht konnte es nicht durchdringen. Doch eine Milliarde Jahre nach dem Urknall war das Gas völlig transparent geworden. Warum? Neue Daten des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA haben den Grund dafür aufgezeigt: Die Sterne der Galaxien strahlten genug Licht aus, um das sie umgebende Gas zu erhitzen und zu ionisieren, was unsere kollektive Sicht über Hunderte von Millionen Jahren hinweg klar machte.

Die Ergebnisse eines Forschungsteams unter der Leitung von Simon Lilly von der ETH Zürich in der Schweiz sind die neuesten Erkenntnisse über eine Zeitspanne, die als Ära der Reionisierung bekannt ist, als das Universum dramatische Veränderungen durchlief. Nach dem Urknall war das Gas im Universum unglaublich heiß und dicht. Im Laufe von Hunderten von Millionen Jahren kühlte sich das Gas ab. Dann drückte das Universum auf „Wiederholen“. Das Gas wurde wieder heiß und ionisiert – wahrscheinlich aufgrund der Bildung früher Sterne in Galaxien, und wurde im Laufe der Millionen von Jahren transparent.

Forscher suchen seit langem nach endgültigen Beweisen, um diese Veränderungen zu erklären. Die neuen Ergebnisse ziehen am Ende dieser Reionisierungsphase effektiv den Vorhang zurück. „Webb zeigt nicht nur deutlich, dass diese transparenten Regionen um Galaxien herum zu finden sind, wir haben auch gemessen, wie groß sie sind“, erklärte Daichi Kashino von der Universität Nagoya in Japan, der Hauptautor der ersten Arbeit des Teams. „Mit Webbs Daten sehen wir, wie Galaxien das Gas um sie herum reionisieren.“

Diese Regionen aus transparentem Gas sind im Vergleich zu den Galaxien gigantisch – stellen Sie sich einen Heißluftballon vor, in dem eine Erbse schwebt. Webbs Daten zeigen, dass diese relativ kleinen Galaxien die Reionisierung vorangetrieben haben und riesige Regionen des Weltraums um sie herum frei gemacht haben. Im Laufe der nächsten hundert Millionen Jahre wurden diese transparenten „Blasen“ immer größer, bis sie schließlich verschmolzen und das gesamte Universum transparent wurde.

Lillys Team zielte absichtlich auf eine Zeit kurz vor dem Ende der Ära der Reionisierung, als das Universum noch nicht ganz klar und nicht ganz undurchsichtig war – es enthielt ein Flickenteppich aus Gas in verschiedenen Zuständen. Wissenschaftler richteten Webb auf einen Quasar – ein extrem leuchtendes aktives supermassereiches Schwarzes Loch, das wie eine riesige Taschenlampe wirkt – und beleuchteten das Gas zwischen dem Quasar und unseren Teleskopen. (Sie finden es in der Mitte dieser Ansicht: Es ist winzig und rosa mit sechs markanten Beugungsspitzen.)

Als das Licht des Quasars durch verschiedene Gasbereiche auf uns zukam, wurde es entweder von undurchsichtigem Gas absorbiert oder bewegte sich frei durch transparentes Gas. Die bahnbrechenden Ergebnisse des Teams waren nur möglich, indem Webbs Daten mit Beobachtungen des zentralen Quasars vom WM-Keck-Observatorium in Hawaii sowie dem Very Large Telescope des European Southern Observatory und dem Magellan Telescope am Las Campanas-Observatorium, beide in Chile, gepaart wurden.

„Indem der Quasar Gas entlang unserer Sichtlinie beleuchtet, liefert er uns umfangreiche Informationen über die Zusammensetzung und den Zustand des Gases“, erklärte Anna-Christina Eilers vom MIT in Cambridge, Massachusetts, die Hauptautorin einer weiteren Teamarbeit.

Anschließend identifizierten die Forscher mithilfe von Webb Galaxien in der Nähe dieser Sichtlinie und zeigten, dass die Galaxien im Allgemeinen von transparenten Regionen mit einem Radius von etwa 2 Millionen Lichtjahren umgeben sind. Mit anderen Worten: Webb war Zeuge von Galaxien, die am Ende der Ära der Reionisierung dabei waren, den Raum um sie herum zu räumen. Um dies ins rechte Licht zu rücken: Die Fläche, die diese Galaxien freigelegt haben, ist ungefähr so ​​weit entfernt wie der Raum zwischen unserer Milchstraßengalaxie und unserem nächsten Nachbarn, Andromeda.

Bisher verfügten Forscher nicht über diesen endgültigen Beweis dafür, was die Reionisierung verursachte – vor Webb wussten sie nicht genau, was dafür verantwortlich war.

Wie sehen diese Galaxien aus? „Sie sind chaotischer als diejenigen im nahen Universum“, erklärte Jorryt Matthee, ebenfalls von der ETH Zürich und Hauptautor der zweiten Arbeit des Teams. „Webb zeigt, dass sie aktiv Sterne bildeten und viele Supernovae abgeschossen haben müssen. Sie hatten eine ziemlich abenteuerliche Jugend!“

Unterwegs nutzte Eilers Webbs Daten, um zu bestätigen, dass das Schwarze Loch im Quasar im Zentrum dieses Feldes das derzeit massereichste im frühen Universum ist und 10 Milliarden Mal so viel wiegt wie die Masse der Sonne. „Wir können immer noch nicht erklären, wie Quasare so früh in der Geschichte des Universums so groß werden konnten“, teilte sie mit. „Das ist ein weiteres Rätsel, das es zu lösen gilt!“ Die exquisiten Bilder von Webb ergaben auch keine Hinweise darauf, dass das Licht des Quasars durch Gravitationslinsen gebündelt worden war, was sicherstellte, dass die Massenmessungen endgültig sind.

Das Team wird sich bald mit der Erforschung von Galaxien in fünf weiteren Feldern befassen, die jeweils von einem zentralen Quasar verankert werden. Webbs Ergebnisse aus dem ersten Feld waren so überwältigend klar, dass sie es kaum erwarten konnten, sie zu teilen. „Wir erwarteten, ein paar Dutzend Galaxien zu identifizieren, die während der Ära der Reionisierung existierten – konnten aber problemlos 117 ausmachen“, erklärte Kashino. „Webb hat unsere Erwartungen übertroffen.“

Lillys Forschungsteam, das Emissionsliniengalaxien und intergalaktisches Gas im Zeitalter der Reionisierung (EIGER) untersuchte, hat die einzigartige Kraft der Kombination konventioneller Bilder von Webb demonstriert NIRCam (Nahinfrarotkamera) mit Daten aus dem spaltlosen Weitfeldspektroskopiemodus desselben Instruments, der ein Spektrum jedes Objekts in den Bildern liefert – was Webb zu einer „spektakulären spektroskopischen Rotverschiebungsmaschine“ macht, wie das Team es nennt.

Zu den ersten Veröffentlichungen des Teams gehören: „EIGER I. eine große Auswahl von [O iii]-emittierende Galaxien bei 5,3 unter der Leitung von Kashino, „EIGER II. Erste spektroskopische Charakterisierung der jungen Sterne und des ionisierten Gases im Zusammenhang mit starkem Hβ und [OIII] Linienemission in Galaxien bei z = 5—7 mit JWST, geführt von Matthee, und „EIGER III. JWST/NIRCam-Beobachtungen des ultrahellen Quasars mit hoher Rotverschiebung J0100+2802“, unter der Leitung von Eilers und wird in veröffentlicht Das Astrophysikalische Journal am 12. Juni.