Die Entdeckung extrem entfernter Sterne oder solcher Sterne, die dem Urknall zeitlich am nächsten sind, kann Einblicke in die ersten Kapitel der Geschichte unseres Universums liefern. Im Jahr 2022 brach das Hubble-Weltraumteleskop seinen eigenen Rekord und entdeckte den bisher am weitesten entfernten Stern. Dieser Stern mit dem Spitznamen Earendel strahlte sein Licht innerhalb der ersten Milliarde Jahre des Universums aus.
Das Erkennen und Bestätigen der Entfernung des Sterns ist jedoch nur der Anfang. Hier kommt das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA ins Spiel. Webbs erste Beobachtungen von Earendel haben Einblicke in die Art des Sterns und sogar in die Galaxie, die den Stern umgibt, geliefert. Zukünftige Analysen von Webb-spektroskopischen Beobachtungen von Earendel und seiner Muttergalaxie, dem Sunrise Arc, könnten auch Informationen über Helligkeit, Temperatur und Zusammensetzung liefern.
Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat die Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops des am weitesten entfernten Sterns, der jemals im sehr fernen Universum entdeckt wurde, innerhalb der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall weiterverfolgt. Webbs NIRCam-Instrument (Near-Infrared Camera) zeigt, dass es sich bei dem Stern um einen massereichen Stern vom B-Typ handelt, der mehr als doppelt so heiß wie unsere Sonne und etwa eine Million Mal leuchtender ist.
Der Stern, den das Forschungsteam Earendel getauft hat, befindet sich in der Sunrise Arc-Galaxie und ist nur dank der kombinierten Kraft menschlicher Technologie und der Natur über einen Effekt namens Gravitationslinsen nachweisbar. Sowohl Hubble als auch Webb konnten Earendel aufgrund seiner glücklichen Ausrichtung hinter einer Falte in der Raumzeit entdecken, die vom massiven Galaxienhaufen WHL0137-08 erzeugt wurde.
Der Galaxienhaufen zwischen uns und Earendel ist so massiv, dass er das Gefüge des Weltraums selbst verformt, was einen Vergrößerungseffekt erzeugt, der es Astronomen ermöglicht, wie durch ein Vergrößerungsglas durch den Galaxienhaufen zu blicken.
Während andere Merkmale in der Galaxie aufgrund des Gravitationslinseneffekts mehrfach auftauchen, erscheint Earendel selbst in Webbs hochauflösenden Infrarotbildern nur als einzelner Lichtpunkt. Auf dieser Grundlage stellen Astronomen fest, dass das Objekt mindestens um den Faktor 4.000 vergrößert und daher extrem klein ist – der am weitesten entfernte jemals entdeckte Stern, der 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall beobachtet wurde.
Der bisherige Rekordhalter für den am weitesten entfernten Stern wurde rund 4 Milliarden Jahre nach dem Urknall von Hubble entdeckt und beobachtet. Ein anderes Forschungsteam, das Webb nutzte, identifizierte kürzlich einen Stern mit Gravitationslinse, den sie Quyllur nannten, einen roten Riesenstern, der drei Milliarden Jahre nach dem Urknall beobachtet wurde.
Sterne mit einer solchen Masse wie Earendel haben oft Begleiter. Die Astronomen erwarteten nicht, dass Webb irgendwelche Begleiter von Earendel preisgeben würde, da diese so nahe beieinander und am Himmel nicht zu unterscheiden wären. Allein aufgrund der Farben von Earendel glauben Astronomen jedoch, Hinweise auf einen kühleren, röteren Begleitstern zu sehen. Dieses Licht wurde durch die Expansion des Universums auf Wellenlängen ausgedehnt, die länger sind, als Hubbles Instrumente erfassen können, und war daher nur mit Webb nachweisbar.
Webbs NIRCam zeigt auch andere bemerkenswerte Details im Sunrise Arc, der am stärksten vergrößerten Galaxie, die jemals in der ersten Milliarde Jahre des Universums entdeckt wurde. Zu den Merkmalen gehören sowohl junge Sternentstehungsregionen als auch ältere etablierte Sternhaufen mit einem Durchmesser von nur 10 Lichtjahren. Auf beiden Seiten der Falte maximaler Vergrößerung, die quer durch Earendel verläuft, werden diese Merkmale durch die Verzerrung der Gravitationslinse gespiegelt.
Die Region, in der Sterne entstehen, erscheint länglich und ist schätzungsweise weniger als 5 Millionen Jahre alt. Kleinere Punkte auf beiden Seiten von Earendel sind zwei Bilder eines älteren, etablierteren Sternhaufens, der auf mindestens 10 Millionen Jahre geschätzt wird. Astronomen stellten fest, dass dieser Sternhaufen gravitativ gebunden ist und wahrscheinlich bis zum heutigen Tag bestehen bleibt. Dies zeigt uns, wie die Kugelsternhaufen in unserer eigenen Milchstraße ausgesehen haben könnten, als sie vor 13 Milliarden Jahren entstanden.
Astronomen analysieren derzeit Daten aus Webbs NIRSpec-Instrumentenbeobachtungen (Near-Infrared Spectrograph) der Sunrise Arc-Galaxie und Earendel, die präzise Messungen der Zusammensetzung und Entfernung der Galaxie liefern werden.
Seit Hubbles Entdeckung von Earendel hat Webb mit dieser Technik weitere sehr weit entfernte Sterne entdeckt, allerdings keiner ganz so weit wie Earendel. Die Entdeckungen haben der Sternphysik einen neuen Bereich des Universums und neue Themen für Wissenschaftler eröffnet, die das frühe Universum untersuchen, wo Galaxien einst die kleinsten erkennbaren kosmischen Objekte waren.
Das Forschungsteam hegt die vorsichtige Hoffnung, dass dies ein Schritt in Richtung der eventuellen Entdeckung eines Sterns der allerersten Generation sein könnte, der nur aus den Grundbestandteilen des Universums besteht, die beim Urknall entstanden sind – Wasserstoff und Helium.
Mehr Informationen:
Brian Welch et al., JWST-Bildgebung von Earendel, dem extrem vergrößerten Stern bei Rotverschiebung z = 6,2, Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/ac9d39
Eros Vanzella et al., JWST/NIRCam untersucht junge Sternhaufen im Sonnenaufgangsbogen der Reionisierungsära, Das Astrophysikalische Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/acb59a