„Inside-out“-Galaxienwachstum im frühen Universum beobachtet

Astronomen haben mit dem NASA/ESA-Weltraumteleskop James Webb (JWST) das „von innen nach außen gerichtete“ Wachstum einer Galaxie im frühen Universum beobachtet, nur 700 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Diese Galaxie ist hundertmal kleiner als die Milchstraße, aber für so frühe Zeiten im Universum überraschend reif. Wie eine große Stadt verfügt diese Galaxie im Kern über eine dichte Ansammlung von Sternen, in den galaktischen „Vororten“ wird sie jedoch weniger dicht. Und wie eine große Stadt beginnt sich diese Galaxie auszudehnen, wobei sich die Sternentstehung in den Außenbezirken beschleunigt.

Dies ist der früheste Nachweis eines galaktischen Wachstums von innen nach außen. Bis Webb war es nicht möglich, das Wachstum von Galaxien so früh in der Geschichte des Universums zu untersuchen.

Obwohl die mit Webb gewonnenen Bilder eine Momentaufnahme der Zeit darstellen, sagen die Forscher unter der Leitung der Universität Cambridge, dass die Untersuchung ähnlicher Galaxien uns helfen könnte zu verstehen, wie sie sich von Gaswolken in die komplexen Strukturen verwandeln, die wir heute beobachten. Der Ergebnisse werden im Journal berichtet Naturastronomie.

„Die Frage, wie sich Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit entwickeln, ist eine wichtige Frage in der Astrophysik“, sagte Co-Hauptautor Dr. Sandro Tacchella vom Cavendish Laboratory in Cambridge.

„Wir hatten viele hervorragende Daten für die letzten zehn Millionen Jahre und für Galaxien in unserer Ecke des Universums, aber jetzt können wir mit Webb Beobachtungsdaten aus Milliarden von Jahren zurück in die Vergangenheit erhalten und so die ersten Milliarden Jahre des Kosmos erforschen.“ Geschichte, die allerlei neue Fragen aufwirft.“

Die Galaxien, die wir heute beobachten, wachsen über zwei Hauptmechanismen: Entweder sie ziehen Gas an oder akkretieren es, um neue Sterne zu bilden, oder sie wachsen durch Verschmelzung mit kleineren Galaxien. Ob im frühen Universum unterschiedliche Mechanismen am Werk waren, ist eine offene Frage, die Astronomen mit Webb klären wollen.

„Man geht davon aus, dass Galaxien klein anfangen, wenn Gaswolken unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren und sehr dichte Kerne aus Sternen und möglicherweise Schwarzen Löchern entstehen“, sagte Tacchella.

„Wenn die Galaxie wächst und die Sternentstehung zunimmt, ähnelt es einem sich drehenden Eiskunstläufer: Wenn der Eiskunstläufer seine Arme einzieht, gewinnen sie an Schwung und drehen sich immer schneller. Galaxien ähneln sich in gewisser Weise, wobei sich Gas später aus größeren und größeren Galaxien ansammelt Größere Entfernungen drehen die Galaxie in die Höhe, weshalb sie oft Spiral- oder Scheibenformen bilden.

Diese Galaxie, beobachtet als Teil der JADES (JWST Advanced Extragalactic Survey) arbeitet aktiv an der Bildung von Sternen im frühen Universum. Sie verfügt über einen sehr dichten Kern, der trotz seines relativ jungen Alters eine ähnliche Dichte aufweist wie heutige massereiche elliptische Galaxien, die tausendmal mehr Sterne enthalten. Der Großteil der Sternentstehung findet weiter vom Kern entfernt statt, mit einem Sternentstehungsklumpen sogar noch weiter draußen.

Die Sternentstehungsaktivität nimmt zum Rand hin stark zu, da sich die Sternentstehung ausbreitet und die Galaxie größer wird. Diese Art von Wachstum wurde von theoretischen Modellen vorhergesagt, aber mit Webb ist es nun möglich, es zu beobachten.

„Einer der vielen Gründe dafür, dass Webb für uns als Astronomen einen so großen Wandel bewirkt, ist, dass wir nun in der Lage sind, das zu beobachten, was zuvor durch Modellierung vorhergesagt wurde“, sagte Co-Autor William Baker, ein Ph.D. Student am Cavendish. „Es ist, als ob man seine Hausaufgaben überprüfen könnte.“

Mithilfe von Webb extrahierten die Forscher Informationen aus dem von der Galaxie bei verschiedenen Wellenlängen emittierten Licht, die sie dann zur Schätzung der Anzahl jüngerer Sterne im Vergleich zu älteren Sternen verwendeten, die in eine Schätzung der Sternmasse und Sternentstehungsrate umgewandelt wurden.

Da die Galaxie so kompakt ist, wurden die einzelnen Bilder der Galaxie „vorwärtsmodelliert“, um instrumentelle Effekte zu berücksichtigen. Durch die Verwendung von Sternpopulationsmodellen, die Vorschriften für Gasemission und Staubabsorption umfassen, fanden die Forscher ältere Sterne im Kern, während in der umgebenden Scheibenkomponente eine sehr aktive Sternentstehung stattfindet.

Diese Galaxie verdoppelt ihre Sternmasse in den Außenbezirken etwa alle 10 Millionen Jahre, was sehr schnell ist: Die Milchstraßengalaxie verdoppelt ihre Masse nur alle 10 Milliarden Jahre.

Die Dichte des galaktischen Kerns sowie die hohe Sternentstehungsrate legen nahe, dass diese junge Galaxie reich an Gas ist, das sie zur Bildung neuer Sterne benötigt, was möglicherweise unterschiedliche Bedingungen im frühen Universum widerspiegelt.

„Natürlich ist dies nur eine Galaxie, daher müssen wir wissen, was andere Galaxien zu dieser Zeit taten“, sagte Tacchella.

„Waren alle Galaxien wie diese? Wir analysieren jetzt ähnliche Daten von anderen Galaxien. Durch die Betrachtung verschiedener Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit können wir möglicherweise den Wachstumszyklus rekonstruieren und zeigen, wie Galaxien heute zu ihrer endgültigen Größe heranwachsen.“