Mithilfe riesiger Datensätze, die mit dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA gesammelt wurden, fördert ein Forschungsteam unter der Leitung eines Astronomen der Rutgers University-New Brunswick Hinweise auf die Bedingungen zutage, die im frühen Universum herrschten.
Das Team hat das Alter der Sterne in der Wolf-Lundmark-Melotte-Galaxie (WLM) katalogisiert und damit nach Angaben der Forscher das bisher detaillierteste Bild davon erstellt. WLM, ein Nachbar der Milchstraße, ist ein aktives Zentrum der Sternentstehung, zu dem auch alte Sterne gehören, die vor 13 Milliarden Jahren entstanden sind.
„Indem wir so tief geschaut und so klar gesehen haben, konnten wir – praktisch – in der Zeit zurückgehen“, sagte Kristen McQuinn, Assistenzprofessorin am Fachbereich Physik und Astronomie der School of Arts and Sciences, die die Studie leitete Forschung, beschrieben In Das Astrophysikalische Journal. „Im Grunde führt man eine Art archäologische Ausgrabung durch, um die Sterne mit sehr geringer Masse zu finden, die früh in der Geschichte des Universums entstanden sind.“
McQuinn lobte den vom Rutgers Office of Advanced Research Computing verwalteten Amarel-Hochleistungsrechencluster dafür, dass er es dem Team ermöglicht habe, die Geschichte der Sternentwicklung der Galaxie zu berechnen. Ein Aspekt der Forschung bestand darin, eine umfangreiche Berechnung durchzuführen und sie 600 Mal zu wiederholen, sagte McQuinn.
Der große Rechenaufwand habe auch dazu beigetragen, Teleskopkalibrierungen und Datenverarbeitungsverfahren zu bestätigen, die der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft zugute kommen würden, fügte sie hinzu.
Für McQuinn sind sogenannte Galaxien mit geringer Masse von besonderem Interesse. Da angenommen wird, dass sie das frühe Universum dominiert haben, ermöglichen sie Forschern, die Entstehung von Sternen, die Entwicklung chemischer Elemente und die Auswirkungen der Sternentstehung auf das Gas und die Struktur einer Galaxie zu untersuchen. Sie sind schwach und über den Himmel verteilt und bilden die Mehrheit der Galaxien im lokalen Universum. Fortschrittliche Teleskope wie das Webb ermöglichen Wissenschaftlern einen genaueren Blick.
WLM – eine „unregelmäßige“ Galaxie, das heißt, sie hat keine eindeutige Form wie eine Spirale oder Ellipse – wurde 1909 vom deutschen Astronomen Max Wolf entdeckt und 1926 vom schwedischen Astronomen Knut Lundmark und dem britischen Astronomen detaillierter charakterisiert Philibert Jacques Melotte. Es befindet sich am Rande der Lokalen Gruppe, einer hantelförmigen Galaxiengruppe, zu der auch die Milchstraße gehört.
Die Lage am Rande der Lokalen Gruppe habe WLM vor den Folgen der Vermischung mit anderen Galaxien geschützt und seine Sternenpopulation in einem makellosen Zustand zurückgelassen, der für Studien nützlich sei, bemerkte McQuinn. WLM ist für Astronomen auch deshalb interessant, weil es ein dynamisches, komplexes System mit viel Gas ist, das ihm die aktive Sternentstehung ermöglicht.
Um die Sternentstehungsgeschichte der Galaxie zu formulieren – die Geschwindigkeit, mit der Sterne in verschiedenen Zeitepochen im Universum geboren wurden – setzten McQuinn und ihr Team das Teleskop ein, um mühsam Himmelsstreifen mit Hunderttausenden einzelner Sterne zu erfassen. Um das Alter eines Sterns zu bestimmen, maßen sie seine Farbe – ein Indikator für die Temperatur – und seine Helligkeit.
„Wir können das, was wir über die Sternentwicklung wissen und was diese Farben und Helligkeiten anzeigen, nutzen, um im Grunde die Sterne der Galaxie altern zu lassen“, sagte McQuinn und fügte hinzu, dass die Forscher dann die Sterne unterschiedlichen Alters zählten und die Geburtenrate der Sterne im Laufe der Geschichte kartierten das Universum. „Am Ende bekommt man ein Gefühl dafür, wie alt die Struktur ist, die man betrachtet.“
Die Katalogisierung der Sterne auf diese Weise zeigte den Forschern, dass die Fähigkeiten von WLM zur Sternenerzeugung im Laufe der Zeit abnahmen und abnahmen. Die Beobachtungen des Teams, die frühere Einschätzungen von Wissenschaftlern mit dem Hubble-Weltraumteleskop bestätigen, zeigen, dass die Galaxie zu Beginn der Geschichte des Universums über einen Zeitraum von 3 Milliarden Jahren Sterne produzierte. Es hielt eine Weile inne und zündete dann erneut.
McQuinn sagte, sie glaube, dass die Pause durch Bedingungen verursacht wurde, die für das frühe Universum spezifisch waren.
„Das Universum war damals wirklich heiß“, sagte sie. „Wir gehen davon aus, dass die Temperatur des Universums letztlich dazu geführt hat, dass das Gas in dieser Galaxie aufgeheizt wurde und die Sternentstehung für eine Weile gestoppt wurde. Die Abkühlphase dauerte ein paar Milliarden Jahre, und dann setzte die Sternentstehung wieder ein.“
Die Forschung ist Teil des Early Release Program der NASA, bei dem ausgewählte Wissenschaftler mit dem Space Telescope Science Institute zusammenarbeiten und Forschungsarbeiten durchführen, die darauf abzielen, Webbs Fähigkeiten hervorzuheben und Astronomen bei der Vorbereitung auf zukünftige Beobachtungen zu helfen.
Die NASA startete im Dezember 2021 das Webb-Teleskop. Das Instrument mit großem Spiegel umkreist die Sonne eine Million Meilen von der Erde entfernt. Wissenschaftler konkurrieren um Zeit am Teleskop, um eine Vielzahl von Themen zu untersuchen, darunter die Bedingungen des frühen Universums, die Geschichte des Sonnensystems und die Suche nach Exoplaneten.
„Dieses Programm wird eine Menge wissenschaftlicher Erkenntnisse hervorbringen, die noch nicht umgesetzt wurden“, sagte McQuinn.
Zu den weiteren Rutgers-Forschern an der Studie gehörten Max Newman, ein Doktorand, und Roger Cohen, ein Postdoktorand, beide in der Abteilung für Physik und Astronomie der Rutgers School of Arts and Sciences.
Mehr Informationen:
Kristen. BW McQuinn et al., Das JWST Resolved Stellar Populations Early Release Science Program. IV. Die Sternentstehungsgeschichte der lokalen Gruppengalaxie WLM, Das Astrophysikalische Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad1105