Zu den grundlegendsten Fragen der Astronomie gehört: Wie entstanden die ersten Sterne und Galaxien? Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA liefert bereits neue Erkenntnisse zu dieser Frage. Eines der größten Programme in Webbs erstem Wissenschaftsjahr ist der JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), der etwa 32 Tage Teleskopzeit aufwenden wird, um schwache, entfernte Galaxien aufzudecken und zu charakterisieren. Während die Daten noch eingehen, hat JADES bereits Hunderte von Galaxien entdeckt, die existierten, als das Universum weniger als 600 Millionen Jahre alt war. Das Team hat außerdem Galaxien identifiziert, in denen eine Vielzahl junger, heißer Sterne glitzern.
Über diese Ergebnisse wird am berichtet 242. Treffen der American Astronomical Society in Albuquerque, New Mexico.
„Mit JADES wollen wir viele Fragen beantworten, wie zum Beispiel: Wie haben sich die frühesten Galaxien zusammengesetzt? Wie schnell haben sie Sterne gebildet? Warum hören einige Galaxien auf, Sterne zu bilden?“ sagte Marcia Rieke von der University of Arizona in Tucson, Co-Leiterin des JADES-Programms.
Sternenfabriken
Ryan Endsley von der University of Texas in Austin leitete eine Untersuchung von Galaxien, die 500 bis 850 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten. Dies war eine entscheidende Zeit, die als Epoche der Reionisierung bekannt ist. Hunderte Millionen Jahre nach dem Urknall war das Universum mit einem gasförmigen Nebel gefüllt, der es für energiereiches Licht undurchlässig machte. Eine Milliarde Jahre nach dem Urknall hatte sich der Nebel lichtet und das Universum wurde transparent, ein Prozess, der als Reionisierung bekannt ist. Wissenschaftler haben darüber diskutiert, ob aktive, supermassereiche Schwarze Löcher oder Galaxien voller heißer, junger Sterne die Hauptursache für die Reionisierung sind.
Im Rahmen des JADES-Programms untersuchten Endsley und seine Kollegen diese Galaxien mit Webbs NIRSpec-Instrument (Near-Infrared Spectrograph), um nach Anzeichen für die Sternentstehung zu suchen – und fanden sie in Hülle und Fülle. „Fast jede einzelne Galaxie, die wir finden, weist diese ungewöhnlich starken Emissionsliniensignaturen auf, die auf eine intensive Sternentstehung in jüngster Zeit hinweisen. Diese frühen Galaxien waren sehr gut darin, heiße, massereiche Sterne zu erzeugen“, sagte Endsley.
Diese hellen, massereichen Sterne stießen Ströme ultravioletten Lichts aus, das das umgebende Gas von undurchsichtig in transparent umwandelte, indem es die Atome ionisierte und Elektronen aus ihren Kernen entfernte. Da diese frühen Galaxien über eine so große Population heißer, massereicher Sterne verfügten, könnten sie die Hauptursache für den Reionisierungsprozess gewesen sein. Durch die spätere Wiedervereinigung der Elektronen und Kerne entstehen die markant starken Emissionslinien.
Endsley und seine Kollegen fanden auch Hinweise darauf, dass diese jungen Galaxien Phasen schneller Sternentstehung durchliefen, die von ruhigen Phasen unterbrochen waren, in denen sich weniger Sterne bildeten. Diese Anfälle und Starts könnten aufgetreten sein, als Galaxien Klumpen gasförmiger Rohstoffe einfingen, die zur Sternentstehung benötigt werden. Da massereiche Sterne jedoch schnell explodieren, haben sie möglicherweise in regelmäßigen Abständen Energie in die Umgebung injiziert und so die Kondensation von Gas zur Bildung neuer Sterne verhindert.
Das frühe Universum enthüllt
Ein weiterer Bestandteil des JADES-Programms ist die Suche nach den frühesten Galaxien, die existierten, als das Universum weniger als 400 Millionen Jahre alt war. Durch die Untersuchung dieser Galaxien können Astronomen erforschen, wie sich die Sternentstehung in den ersten Jahren nach dem Urknall von der heutigen unterscheidet. Das Licht weit entfernter Galaxien wird durch die Expansion des Universums zu längeren Wellenlängen und rötlicheren Farben gestreckt – ein Phänomen, das Rotverschiebung genannt wird. Durch die Messung der Rotverschiebung einer Galaxie können Astronomen herausfinden, wie weit sie entfernt ist und wann sie im frühen Universum existierte. Vor Webb wurden nur ein paar Dutzend Galaxien oberhalb einer Rotverschiebung von 8 beobachtet, als das Universum jünger als 650 Millionen Jahre war, doch JADES hat mittlerweile fast tausend dieser extrem weit entfernten Galaxien entdeckt.
Der Goldstandard zur Bestimmung der Rotverschiebung besteht in der Betrachtung des Spektrums einer Galaxie, das ihre Helligkeit bei unzähligen eng beieinander liegenden Wellenlängen misst. Eine gute Näherung lässt sich jedoch ermitteln, indem man eine Galaxie mit Filtern fotografiert, die jeweils ein schmales Farbband abdecken, um eine Handvoll Helligkeitsmessungen zu erhalten. Auf diese Weise können Forscher Schätzungen für die Entfernungen von vielen Tausend Galaxien auf einmal ermitteln.
Kevin Hainline von der University of Arizona in Tucson und seine Kollegen verwendeten Webbs NIRCam-Instrument (Near-Infrared Camera), um diese Messungen, sogenannte photometrische Rotverschiebungen, zu erhalten und identifizierten mehr als 700 Kandidatengalaxien, die existierten, als das Universum zwischen 370 und 650 Millionen groß war Jahre alt. Die schiere Anzahl dieser Galaxien übertraf die Vorhersagen aus Beobachtungen, die vor Webbs Start gemacht wurden, bei weitem. Die hervorragende Auflösung und Empfindlichkeit des Observatoriums ermöglichen es Astronomen, diese fernen Galaxien besser zu sehen als je zuvor.
„Früher sahen die frühesten Galaxien, die wir sehen konnten, nur wie kleine Flecken aus. Und doch repräsentieren diese Flecken Millionen oder sogar Milliarden Sterne am Anfang des Universums“, sagte Hainline. „Jetzt können wir sehen, dass es sich bei einigen von ihnen tatsächlich um ausgedehnte Objekte mit sichtbarer Struktur handelt. Wir können Gruppierungen von Sternen sehen, die nur wenige hundert Millionen Jahre nach Beginn der Zeit geboren werden.“
„Wir stellen fest, dass die Sternentstehung im frühen Universum viel komplizierter ist, als wir dachten“, fügte Rieke hinzu.