Das Universum, in dem wir leben, ist transparent, in dem das Licht von Sternen und Galaxien hell vor einem klaren, dunklen Hintergrund leuchtet. Dies war jedoch nicht immer der Fall – in seinen Anfangsjahren war das Universum mit einem Nebel aus Wasserstoffatomen gefüllt, der das Licht der frühesten Sterne und Galaxien verdeckte.
Es wird angenommen, dass das intensive ultraviolette Licht der ersten Generationen von Sternen und Galaxien den Wasserstoffnebel durchdrungen und das Universum in das verwandelt hat, was wir heute sehen. Während frühere Generationen von Teleskopen nicht in der Lage waren, diese frühen kosmischen Objekte zu untersuchen, nutzen Astronomen jetzt die Möglichkeit, diese frühen kosmischen Objekte zu untersuchen James Webb-Weltraumteleskops überlegene Technologie zur Untersuchung der Sterne und Galaxien, die unmittelbar nach dem Urknall entstanden sind.
Ich bin ein Astronom, der die entferntesten Galaxien untersucht im Universum mithilfe der weltweit führenden boden- und weltraumgestützten Teleskope. Unter Verwendung neuer Beobachtungen des Webb-Teleskops und eines Phänomens namens Gravitationslinsen, mein Team bestätigte die Existenz der schwächsten derzeit bekannten Galaxie im frühen Universum. Die Galaxie mit dem Namen JD1 wird so gesehen, wie sie war, als das Universum nur 480 Millionen Jahre alt war, also 4 % seines heutigen Alters.
Eine kurze Geschichte des frühen Universums
Die ersten Milliarden Jahre des Lebens des Universums waren eine entscheidende Phase in seiner Entwicklung. In den ersten Augenblicken nach dem Urknall waren Materie und Licht in einer heißen, dichten „Suppe“ fundamentaler Teilchen aneinander gebunden.
Doch einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall erlosch das Universum extrem schnell expandiert. Durch diese Expansion kühlte sich das Universum schließlich so weit ab, dass sich Licht und Materie aus ihrer „Suppe“ trennen und – etwa 380.000 Jahre später – Wasserstoffatome bilden konnten. Die Wasserstoffatome erschienen als intergalaktischer Nebel, und ohne Licht von Sternen und Galaxien war das Universum dunkel. Dieser Zeitraum ist als bekannt kosmische dunkle Zeitalter.
Die Ankunft der ersten Generationen von Sternen und Galaxien mehrere hundert Millionen Jahre nach dem Urknall tauchte das Universum in extrem heißes UV-Licht, das verbrannte – oder ionisierte – den Wasserstoffnebel. Dieser Prozess brachte das transparente, komplexe und schöne Universum hervor, das wir heute sehen.
Astronomen wie ich nennen die ersten Milliarden Jahre des Universums – als dieser Wasserstoffnebel verbrannte – die Epoche der Reionisierung. Um diesen Zeitraum vollständig zu verstehen, untersuchen wir, wann sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten, was ihre Haupteigenschaften waren und ob sie in der Lage waren, genug UV-Licht zu erzeugen, um den gesamten Wasserstoff zu verbrennen.
Die Suche nach schwachen Galaxien im frühen Universum
Ein visuelles Modell, das das Verbrennen von Wasserstoffnebel durch UV-Licht im Zeitalter der „Reionisierung“ zeigt. Ionisierte oder verbrannte Bereiche sind blau und durchscheinend. Ionisationsfronten sind rot und weiß und neutrale Bereiche sind dunkel und undurchsichtig. Bildnachweis: djxatlanta auf Youtube
Der erste Schritt zum Verständnis der Epoche der Reionisierung besteht darin, die Entfernungen zu Galaxien zu ermitteln und zu bestätigen, von denen Astronomen glauben, dass sie für diesen Prozess verantwortlich sind. Da sich Licht mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet, braucht es Zeit, bis es unsere Teleskope erreicht, sodass Astronomen Objekte so sehen, wie sie in der Vergangenheit waren.
Beispielsweise benötigt das Licht aus dem Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße, etwa 27.000 Jahre, um uns auf der Erde zu erreichen, wir sehen es also so, wie es vor 27.000 Jahren war. Das heißt, wenn wir bis zu den ersten Augenblicken nach dem Urknall zurückblicken wollen (das Universum ist 13,8 Milliarden Jahre alt), müssen wir nach Objekten in extremen Entfernungen suchen.
Da Galaxien in diesem Zeitraum so weit entfernt sind, erscheinen sie extrem schwach und klein zu unseren Teleskopen und emittieren den größten Teil ihres Lichts im Infrarotbereich. Das bedeutet, dass Astronomen leistungsstarke Infrarot-Teleskope wie Webb benötigen, um sie zu finden. Vor Webb waren praktisch alle von Astronomen gefundenen entfernten Galaxien außergewöhnlich hell und groß, einfach weil unsere Teleskope nicht empfindlich genug waren, um die schwächeren, kleineren Galaxien zu sehen.
Es sind jedoch die letzteren Populationen, die weitaus zahlreicher und repräsentativer sind und wahrscheinlich die Haupttreiber des Reionisierungsprozesses sind, nicht die hellen. Diese schwachen Galaxien sind es also, die Astronomen genauer untersuchen müssen. Es ist, als würde man versuchen, die Evolution des Menschen zu verstehen, indem man ganze Populationen untersucht und nicht nur ein paar sehr große Menschen. Indem er uns ermöglicht, schwache Galaxien zu sehen, öffnet Webb ein neues Fenster zur Erforschung des frühen Universums.
Eine typische frühe Galaxie
JD1 ist eine solche „typische“ schwache Galaxie. Es war 2014 mit dem Hubble-Weltraumteleskop entdeckt als verdächtige ferne Galaxie. Aber Hubble verfügte weder über die Fähigkeiten noch über die Sensibilität, um seine Entfernung zu bestätigen – es konnte nur eine fundierte Vermutung anstellen.
Klein und schwach in der Nähe Galaxien können manchmal mit weit entfernten Galaxien verwechselt werdenDaher müssen Astronomen ihre Entfernungen genau kennen, bevor wir Aussagen über ihre Eigenschaften machen können. Entfernte Galaxien bleiben daher bis zur Bestätigung „Kandidaten“. Das Webb-Teleskop ist endlich in der Lage, diese zu bestätigen, und JD1 war eine der ersten großen Bestätigungen von Webb für einen extrem weit entfernten Galaxienkandidaten, der von Hubble gefunden wurde. Diese Bestätigung stuft es als ein die schwächste Galaxie, die bisher im frühen Universum gesehen wurde.
Um JD1 zu bestätigen, verwendeten ein internationales Team von Astronomen und ich Webbs Nahinfrarotspektrographen. NIRSpec, um ein Infrarotspektrum der Galaxie zu erhalten. Das Spektrum ermöglichte es uns, die Entfernung von der Erde zu bestimmen und ihr Alter, die Anzahl der von ihr gebildeten jungen Sterne sowie die Menge an Staub und schweren Elementen, die sie produzierte, zu bestimmen.
Große Galaxien können das um sie herum wandernde Licht verzerren und verzerren. Dieses Video zeigt, wie dieser Prozess namens Gravitationslinseneffekt funktioniert.
Gravitationslinse, das Vergrößerungsglas der Natur
Selbst für Webb wäre JD1 ohne die helfende Hand der Natur unmöglich zu sehen. JD1 befindet sich hinter einem großen Cluster nahegelegener Galaxien, genannt Abell 2744, dessen kombinierte Gravitationskraft das Licht von JD1 beugt und verstärkt. Dieser als Gravitationslinseneffekt bekannte Effekt lässt JD1 größer und 13-mal heller erscheinen, als es normalerweise der Fall wäre.
Ohne den Gravitationslinseneffekt hätten Astronomen JD1 nicht gesehen, nicht einmal mit Webb. Die Kombination aus der Gravitationsvergrößerung von JD1 und neuen Bildern von einem anderen Nahinfrarotinstrument von Webb, NIRCamermöglichte es unserem Team, die Struktur der Galaxie in beispielloser Detailliertheit und Auflösung zu untersuchen.
Dies bedeutet nicht nur, dass wir als Astronomen die inneren Regionen früher Galaxien untersuchen können, sondern auch, dass wir damit beginnen können, festzustellen, ob solche frühen Galaxien kleine, kompakte und isolierte Quellen waren oder ob sie mit nahegelegenen Galaxien verschmolzen und mit ihnen interagierten. Indem wir diese Galaxien untersuchen, gehen wir auf die Bausteine zurück, die das Universum geformt und unsere kosmische Heimat entstehen ließen.
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