Im amerikanischen Wilden Westen war High Noon eine Zeit für Duelle und Showdowns. Wenn es um die Geschichte des Universums geht, war der kosmische Mittag ein Feuerwerk der anderen Art. Etwa 2 bis 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall durchliefen die meisten Galaxien einen Wachstumsschub und bildeten Sterne mit einer Geschwindigkeit, die hundertmal höher ist, als wir sie heute in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, sehen. Bei seinem Start im Mai 2027 verspricht das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA neue Einblicke in die Blütezeit der Sternentstehung.
Der kosmische Mittag ist eine wichtige Zeit in der Geschichte des Universums, weil er das heutige Galaxienbild geprägt hat. Doch viele Fragen bleiben unbeantwortet. Warum erreichte die Sternentstehung ihren Höhepunkt und ging dann zurück? Warum hörten einige Galaxien plötzlich auf, Sterne zu bilden, während andere allmählich verblassten? Wie wichtig waren lokale Einflüsse wie die Anzahl der galaktischen Nachbarn bei der Gestaltung dieser Entwicklung?
Um diese Fragen zu beantworten, benötigen Astronomen eine reichhaltige Auswahl an Galaxien aus dieser Zeit, um sie zu untersuchen. Die Stärke von Roman liegt in seiner Fähigkeit, Tausende von interessanten Objekten in einer einzigen Ansicht zu erfassen. Bei einer so großen Umfrage müssen Wissenschaftler ihre bevorzugten Ziele nicht im Voraus auswählen, was zu unbeabsichtigten Verzerrungen führen kann.
„Mit einem Sichtfeld, das 100-mal breiter ist als das des Hubble-Weltraumteleskops, kann Roman die astronomische Landschaft verändern, indem er so effizient ist“, sagte Kate Whitaker, Assistenzprofessorin für Astronomie an der Universität von Massachusetts in Amherst. Whitakers Forschung konzentriert sich auf die Untersuchung der Regulierung der Sternentstehung und -löschung in massereichen Galaxien im frühen Universum.
Das weite Sichtfeld von Roman wird es den Astronomen auch ermöglichen, einzelne Galaxien in einen Kontext zu setzen, indem sie sehen, wie ihre Wachstumsschübe und die anschließende Verlangsamung je nach ihrer Position innerhalb des kosmischen „Netzes“ – der großräumigen Struktur des Universums – variieren.
„Man nimmt ein Bild und bekommt alles. Wir werden sehen, was und wo die interessanten Objekte sind“, sagte Casey Papovich, Professor für Astronomie an der Texas A&M University in College Station, Texas. Papovichs Forschung umfasst die Quantifizierung des Wachstums und der Ansammlung von Sternmasse in Galaxien im frühen Universum.
Das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA wird ein leistungsstarkes Instrument zur Untersuchung von Galaxien im gesamten Kosmos sein. Es wird Spektren für jede Galaxie in seinem Sichtfeld liefern können. Und mit einem Sichtfeld, das 200-mal so groß ist wie das des Hubble-Weltraumteleskops bei Infrarotwellenlängen, kann Roman Tausende von interessanten Objekten in einer einzigen Beobachtung erfassen. Kredit: Video: Robert Hurt (IPAC/Caltech); Hubble Ultra Deep Field Visualization mit freundlicher Genehmigung von Frank Summers (STScI)/NASA’s Universe of Learning; Musik: „Red Giant“ von Stellardrone
Über Bilder hinausgehen
Während Bilder Astronomen helfen können, interessante Galaxien zu erkennen, können viel mehr Informationen gesammelt werden, indem das Licht einer Galaxie in ein Spektrum gestreut wird. Papovich hat zusammen mit Vicente (Vince) Estrada-Carpenter von der St. Mary’s University in San Antonio, Texas, und ihren Kollegen eine Technik entwickelt, um das Licht aller Sterne in einer Galaxie zusammen zu extrahieren.
Durch die Untersuchung des Spektrums einer Galaxie erfahren Sie etwas über das Alter ihrer Sterne, ihre Sternentstehungsgeschichte, wie viele schwere chemische Elemente sie enthält und vieles mehr. Indem sie dies für eine große Anzahl früher Galaxien tun, können Astronomen mehr über die Prozesse erfahren, die diese Periode des schnellen Wachstums vorangetrieben und schließlich beendet haben.
Romans Leistung kann noch weiter gesteigert werden, indem ferne Galaxien beobachtet werden, deren Licht durch ein Phänomen namens Gravitationslinseneffekt verzerrt wurde. Die Schwerkraft eines dazwischenliegenden Galaxienhaufens kann das Licht einer weiter entfernten Galaxie verstärken und aufhellen, sodass Astronomen die Hintergrundgalaxie detaillierter untersuchen können, als dies sonst möglich wäre.
Whitaker verwendet diese Technik bereits mit Hubble, um die Kerne junger Galaxien im Vergleich zu ihren Außenbezirken zu untersuchen. Diese Arbeit versucht zu bestimmen, ob die Sternentstehung von außen nach innen oder von innen nach außen abschließt – das heißt, von den Außenbezirken der Galaxie zu ihrem Zentrum oder umgekehrt.
„Das Auslöschen von Galaxien – ein plötzliches Ende der Sternentstehung – kann auf kosmologischen Zeitskalen ein schneller Prozess sein. Daher ist es schwierig, einen auf frischer Tat zu ertappen, weil sie so selten sind“, sagte Whitaker. „Roman wird uns helfen, diese seltenen Exemplare zu finden.“
Während Romans weltraumgestützte Sicht hervorragende Schärfe und Stabilität bieten wird, werden auch bodengestützte Observatorien bei der Untersuchung des kosmischen Mittags ins Spiel kommen. Beispielsweise kann das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array den Gas- und Staubgehalt entfernter Galaxien messen. Und zukünftige Teleskope der 30-Meter-Klasse werden aufgrund ihrer Fähigkeit, viel Licht zu sammeln, in der Lage sein, exquisite Details in Galaxienspektren zu messen.
„Roman und bodengestützte Observatorien werden sich gegenseitig ergänzen. Roman wird die interessantesten Galaxien in großen Sichtfeldern im Alleingang und effizient identifizieren und charakterisieren. Wir können dann mit bodengestützten Teleskopen zurückgehen, um sie genauer zu untersuchen.“ erklärte Papowitsch.