Neue Bilder des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA zeigen zum ersten Mal Galaxien mit Sternbalken – längliche Merkmale von Sternen, die sich von den Zentren der Galaxien bis in ihre äußeren Scheiben erstrecken – zu einer Zeit, als das Universum nur 25 % seiner Gegenwart ausmachte das Alter. Die Entdeckung sogenannter Balkengalaxien, ähnlich unserer Milchstraße, so früh im Universum wird Astrophysiker zwingen, ihre Theorien über die Entwicklung von Galaxien zu verfeinern.
Vor JWST hatten Bilder des Hubble-Weltraumteleskops noch nie Balken in so jungen Epochen entdeckt. Auf einem Hubble-Bild ist eine Galaxie, EGS-23205, kaum mehr als ein scheibenförmiger Fleck, aber auf dem entsprechenden JWST-Bild, das im vergangenen Sommer aufgenommen wurde, ist es eine wunderschöne Spiralgalaxie mit einem klaren Sternbalken.
„Ich habe mir diese Daten einmal angesehen und gesagt: ‚Wir lassen alles andere fallen!’“, sagte Shardha Jogee, Professorin für Astronomie an der University of Texas in Austin. „Die in Hubble-Daten kaum sichtbaren Balken tauchten einfach im JWST-Bild auf und zeigten die enorme Kraft des JWST, die zugrunde liegende Struktur in Galaxien zu sehen“, sagte sie und beschrieb Daten des Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS) unter der Leitung von UT-Austin-Professor Steven Finkelstein.
Das Team identifizierte eine weitere Balkengalaxie, EGS-24268, ebenfalls vor etwa 11 Milliarden Jahren, was bedeutet, dass zwei Balkengalaxien weiter zurück in der Zeit existieren als alle zuvor entdeckten.
In einem zur Veröffentlichung angenommenen Artikel in Die Briefe des astrophysikalischen Journalsheben sie diese beiden Galaxien hervor und zeigen Beispiele von vier anderen vergitterten Galaxien von vor mehr als 8 Milliarden Jahren.
Diese Simulation zeigt sowohl die Entstehung von Sternbalken (links) als auch die balkengetriebenen Gaszuflüsse (rechts). Sternbalken spielen eine wichtige Rolle in der Galaxienentwicklung, indem sie Gas in die zentralen Regionen einer Galaxie leiten, wo es schnell in neue Sterne umgewandelt wird, mit einer Geschwindigkeit, die typischerweise 10- bis 100-mal so schnell ist wie im Rest der Galaxie. Balken tragen auch indirekt dazu bei, supermassive Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien wachsen zu lassen, indem sie das Gas teilweise kanalisieren. Bildnachweis: Francoise Combes, Pariser Observatorium
„Für diese Studie betrachten wir ein neues Regime, in dem noch niemand zuvor diese Art von Daten verwendet oder diese Art quantitativer Analyse durchgeführt hat“, sagte Yuchen „Kay“ Guo, ein Doktorand, der die Analyse leitete, „also ist alles so neu. Es ist, als würde man in einen Wald gehen, in den noch nie jemand gegangen ist.“
Balken spielen eine wichtige Rolle in der Galaxienentwicklung, indem sie Gas in die zentralen Regionen leiten und so die Sternentstehung fördern.
„Barren lösen das Lieferkettenproblem in Galaxien“, sagte Jogee. „Genauso wie wir Rohstoffe vom Hafen zu Fabriken im Landesinneren bringen müssen, die neue Produkte herstellen, transportiert eine Bar Gas kraftvoll in die zentrale Region, wo das Gas schnell in neue Sterne umgewandelt wird, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die normalerweise 10- bis 100-mal schneller ist als in der Rest der Galaxis.“
Balken helfen auch dabei, supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien wachsen zu lassen, indem sie das Gas teilweise kanalisieren.
Die Entdeckung von Balken in solch frühen Epochen erschüttert die Szenarien der Galaxienentwicklung auf verschiedene Weise.
„Diese Entdeckung früher Balken bedeutet, dass Galaxienentwicklungsmodelle jetzt einen neuen Weg über Balken haben, um die Produktion neuer Sterne in frühen Epochen zu beschleunigen“, sagte Jogee.
Und die bloße Existenz dieser frühen Balken stellt theoretische Modelle in Frage, da sie die Physik der Galaxie richtig machen müssen, um die korrekte Häufigkeit von Balken vorherzusagen. Das Team wird in seinen nächsten Arbeiten verschiedene Modelle testen.
JWST kann aus zwei Gründen Strukturen in fernen Galaxien besser enthüllen als Hubble: Erstens verleiht ihm sein größerer Spiegel eine bessere Lichtsammelfähigkeit, wodurch es weiter und mit höherer Auflösung sehen kann. Zweitens kann es besser durch Staub hindurchsehen, da es bei längeren Infrarotwellenlängen beobachtet als Hubble.
Die Studenten Eden Wise und Zilei Chen spielten eine Schlüsselrolle in der Forschung, indem sie Hunderte von Galaxien visuell überprüften und nach denen suchten, die Balken zu haben schienen, was dazu beitrug, die Liste auf ein paar Dutzend einzugrenzen, damit die anderen Forscher sie mit einer intensiveren mathematischen Analyse analysieren konnten Ansatz.
Mehr Informationen:
Yuchen Guo et al., First Look at z > 1 Bars in the Rest-Frame Near-Infrared with JWST Early CEERS Imaging, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2210.08658