Nach Jahren der Vorbereitung und Vorfreude startete das James Webb-Weltraumteleskop am 25. Dezember 2021 endlich in die Umlaufbahn (was für ein Weihnachtsgeschenk, oder?). Seitdem haben die atemberaubenden Bilder und Daten zweifelsfrei bewiesen, dass es das beste Weihnachtsgeschenk aller Zeiten war. Nach seinem ersten Betriebsjahr ist das JWST einem seiner Hauptziele gerecht geworden: der Beobachtung der ersten Sterne und Galaxien, die das Universum bevölkerten. Das ist dem Observatorium der nächsten Generation gelungen, indem es neue Entfernungsrekorde aufgestellt und Galaxien entdeckt hat, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall existierten.
Diese Studien sind wichtig, um die Entwicklung des Kosmos aufzuzeichnen und Probleme mit unseren kosmologischen Modellen zu lösen, wie die Hubble-Spannung und die Geheimnisse der dunklen Materie und der dunklen Energie. Nun, behalten Sie Ihren Hut, denn die Dinge haben ein neues Level an Großartigkeit erreicht! In einer aktuellen Studie isolierte ein internationales Wissenschaftlerteam einen gut vergrößerten Sternkandidaten in einer Galaxie, die so aussieht, als wäre sie vor fast 12,5 Milliarden Jahren gewesen. Die Entdeckung eines Sterns, der existierte, als das Universum nur etwa 1,2 Milliarden Jahre alt war, zeigt die Fähigkeiten des JWST und bietet einen Ausblick auf die Zukunft. Die Studie ist auf der Website verfügbar arXiv Preprint-Server.
Die Forschung wurde von Lukas J. Furtak geleitet, einem Postdoktoranden für experimentelle Astrophysik an der Ben-Gurion-Universität des Negev. Das von ihm geleitete internationale Team bestand aus Astronomen und Astrophysikern des Cosmic Dawn Center (DAWN), des Space Telescope Science Institute (STScI), der Association of Universities for Research in Astronomy (AURA), des Spanish National Research Council (CSIS), des Center for Extragalactic Astronomy, das Racah Institute of Physics, das Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), das Observational Cosmology Lab am Goddard Space Flight Center der NASA und mehr.
Beobachtungen einiger der frühesten Galaxien im Universum durch Hubble und JWST haben eine Fülle von Informationen geliefert, die vorherrschende Modelle der kosmologischen Evolution in Frage stellten und bestätigten. Leider ist es, wie die Autoren in ihrer Studie anmerkten, unmöglich, einzelne Sterne in diesen Entfernungen direkt zu beobachten, da sie im Vergleich zu ihren umgebenden Galaxien zu dunkel sind. Wissenschaftler haben jedoch gezeigt, dass Sterne mithilfe der Gravitationslinse beobachtet werden können, einer Technik, bei der ein massives Objekt im Vordergrund das Licht eines weiter entfernten Objekts verstärkt.
Dieser von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagte Effekt tritt auf, wenn die Gravitationskraft massiver Objekte die Krümmung der Raumzeit um sie herum verändert. In den letzten Jahren konnten Astronomen mit dieser Technik mehrere Dutzend Sterne in Sternhaufenfeldern mit starker Linsenwirkung identifizieren, und das JWST hat bereits mehrere entdeckt. Für ihre Studie zog das Team Bilder heran, die von Webbs Nahinfrarotkamera (NIRCam) aufgenommen wurden, die den Galaxienhaufen MACS0647 während seines ersten Betriebsjahres im Rahmen des Cycle 1 General Observers (GO)-Programms 1433 erfasste.
Wie Furtak Universe Today per E-Mail mitteilte, stellte dies eine große Errungenschaft dar, da sich Linsenstudien traditionell auf Galaxien mit hoher Rotverschiebung konzentrieren:
„Die Untersuchung einzelner Linsensterne in kosmologischen Entfernungen ist ein relativ neues Gebiet, das in den letzten Jahren dank der phänomenalen Kapazitäten der Weltraumteleskope Hubble und James Webb an Interesse gewonnen hat. Einzelne Sterne können normalerweise nur in unserer Galaxie und ihren unmittelbaren Nachbarn beobachtet werden.“ während wir in größeren kosmologischen Entfernungen nur ganze Galaxien sehen.
„Der Gravitationslinseneffekt, bei dem massive Objekte wie Galaxienhaufen das Licht von Hintergrundquellen ablenken und vergrößern, kann dies jedoch ändern, wenn ein einzelner Stern in einer Linsenhintergrundgalaxie zufällig die sogenannte kritische Linie überschreitet, die eine Region darstellt.“ wo die Gravitationsvergrößerung extreme Werte erreicht. Wenn die Ausrichtung stimmt, können wir dann einzelne Sterne in fernen Galaxien beobachten.“
Die Schwerkraft dieses massereichen Haufens erzeugt eine starke Linse, die bereits zur Identifizierung der Dreilinsen-JD-Galaxie mit einem Rotverschiebungswert von z=11 verwendet wurde. Dies entspricht einer scheinbaren Entfernung von vor 13,4 Milliarden Lichtjahren, was bedeutet, dass es heute so aussieht wie damals, als das Universum weniger als 500 Millionen Jahre alt war. Mithilfe derselben Linsengalaxie erhielt das Team Spektren von einem einzelnen Stern bei z=4,76 (MACS0647-star-1) – in einer scheinbaren Entfernung von etwa 12,35 Milliarden Jahren – und analysierte sie, um die Eigenschaften des Sterns abzuleiten.
Der Stern wurde erstmals im Jahr 2022 mithilfe von Daten von Webbs NIRCam entdeckt, worüber Dr. Ashish Meena von der Ben-Gurion-Universität (ein Kollege und Co-Autor dieses neuesten Artikels) in einem Artikel berichtete. Furtak sagte:
„[MACS0647-star-1] wurde aufgrund ihrer Position in einer stark verzerrten Hintergrundgalaxie sehr nahe oder sogar oberhalb der kritischen Linie als solche identifiziert, also in einem Bereich, in dem die Vergrößerung durch den Gravitationslinseneffekt extreme Werte erreicht. Beachten Sie, dass in derselben Studie auch ein schwächerer zweiter Stern entdeckt wurde, MACS0647-star-2. Basierend auf der Photometrie in mehreren Breitbandfiltern wurde MACS0647-star-1 als Kandidat für einen Überriesenstern vom Typ B mit einer Oberflächentemperatur von etwa 10.000 K identifiziert.“
Einige Monate später erhielten Furtak und sein Team die MACS0647-star-1-Spektren mit Webbs Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec) als Teil einer größeren Kampagne, die auf den gesamten Linsencluster abzielte. Mithilfe der Spektren konnten sie die Rotverschiebung von MACSO647-Stern-1 genau messen und daraus Entfernungsschätzungen ableiten, die zeigten, dass der Stern existierte, als das Universum gerade einmal 1,2 Milliarden Jahre alt war. Wie Furtak hinzufügte, stellten sie außerdem fest, dass das Spektrum ein komplexeres Bild lieferte als die vorherigen photometrischen Daten:
„Während die photometrischen Messungen der Bildgebung mit einem einzelnen Überriesenstern vom B-Typ übereinstimmten, [but] Mit dem Spektrum, das wir jetzt sehen, müssen wir entweder auf zwei Sterne blicken – einen B-Typ- und einen kälteren F-Typ-Stern – oder auf einen heißen B-Typ-Stern, dessen Licht irgendwo entlang der Sichtlinie durch Staub gerötet ist. Die letztere Erklärung ist jedoch die wahrscheinlichere. Allerdings können wir beim aktuellen Spektrum – d. h. 1,8 Stunden Integrationszeit und NIRSpec-Prismenmodus, der eine relativ geringe Auflösung hat – die Möglichkeit nicht vollständig ausschließen, dass es sich nicht tatsächlich um einen ganzen Sternhaufen und nicht um einen einzelnen Stern handelt entweder (d. h. ein Objekt vom Typ Kugelsternhaufen, sehr dichte alte Sternpopulation).“
Um eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, was Webb enthüllte, sind Folgebeobachtungen der Linsengalaxie MACS0647 erforderlich. Insbesondere wies Furtak darauf hin, dass viel tiefere Spektren und eine viel höhere spektrale Auflösung erforderlich seien, um Absorptionslinien klarer messen zu können. Unabhängig davon werden diese Erkenntnisse wahrscheinlich bald alltäglich werden, wenn Webb weiterhin Sterne und Galaxien untersucht, die im frühen Universum existierten. Bisher wurden mehrere Linsensterne in kosmologischen Entfernungen von Hubble beobachtet, der erste (Ikarus) wurde 2018 von Hubble entdeckt, während der jüngste (Earendel) im Jahr 2022 entdeckt wurde.
Basierend auf dem, was Webb bereits im ersten Beobachtungsjahr enthüllt hat, geht Furtak davon aus, dass das JWST Linsensterne mit einer Rate von einem pro beobachtetem Galaxienhaufen finden wird. Es wurden bereits mehrere Linsensterne entdeckt, darunter MACS0647-star-1, der bislang am zweitweitesten beobachtete Stern. Dies, so Furtak, bietet einen verlockenden Ausblick auf das, was uns erwartet:
„Diese Studie zeigt definitiv, dass JWST über die instrumentelle Kapazität verfügt, nicht nur Linsensterne in Bildgebungskampagnen zu erkennen, sondern auch deren Spektren mit NIRSpec zu erhalten. Dies ist das zweite jemals aufgenommene Spektrum eines Linsensterns und das erste weltraumgestützte mit JWST.“ So wurde beispielsweise kürzlich auch ein Spektrum für den am weitesten entfernten Stern Earendel aufgenommen und wird wahrscheinlich bald veröffentlicht. In zukünftigen Beobachtungskampagnen können wir mit NIRCam entdeckte Linsensterne systematisch mithilfe der NIRSpec-Spektroskopie verfolgen, wenn es sich um persistente Quellen handelt um ihre Eigenschaften abzuleiten.
„Diese Studie basiert auch auf relativ kurzen JWST-Belichtungszeiten von etwa 2 Stunden, wohingegen JWST durchaus in der Lage ist, durch längere Belichtungszeiten viel höhere Signal-Rausch-Verhältnisse zu erreichen, was bedeutet, dass zukünftige NIRSpec-Beobachtungen durchaus in der Lage sein könnten, Absorptionsmerkmale in zu erkennen.“ Linsensterne, zumindest in den hellsten. Beachten Sie, dass dies auch ein überzeugender wissenschaftlicher Fall für die kommenden 30-Meter-Teleskope wie das ELT der ESO wäre, die in der Lage sein werden, ähnliche Empfindlichkeiten und Auflösungen wie JWST zu erreichen, allerdings bei etwas niedrigeren Wellenlängen .“
Mehr Informationen:
Lukas J. Furtak et al., Reaching for the Stars – JWST/NIRSpec-Spektroskopie eines Linsensternkandidaten bei $z=4,76$, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2308.00042