Neben anderen bemerkenswerten Errungenschaften und Rätseln hat das James Webb Space Telescope (JWST) eine größere Anzahl heller Galaxien im fernen Universum gefunden als erwartet. Während Wissenschaftler immer noch über den Überschuss debattieren, hat eine Forschungsgruppe vorgeschlagen, dass Gammastrahlenausbrüche als leistungsstarke Sonde zur Untersuchung des Überschusses eingesetzt werden könnten, mit der auch die Entstehung von Sternen und Galaxien im fernen, frühen Universum beobachtet werden könnte.
JWST beobachtete kürzlich die entfernteste jemals beobachtete Galaxie, die nur 300 Millionen Jahre nach dem Urknall entstand. Es befindet sich nun am äußersten Rand des beobachtbaren Universums, wo sich Objekte mit nahezu Lichtgeschwindigkeit entfernen.
Da sich das Licht dieser Objekte relativ zur Erde so schnell fortbewegt, weist es bei seiner Ankunft hier eine erhebliche Rotverschiebung auf. Seine Wellenlängen werden gestreckt, so dass sie deutlich größer sind als bei ihrer Emission, was als Doppler-Effekt bezeichnet wird (wir kennen ihn durch die Verschiebung der Schallfrequenzen, wenn sich ein Fahrzeug von unseren Ohren entfernt).
Das Verhältnis der beobachteten Wellenlänge zur emittierten Wellenlänge wird als bezeichnet Z-Faktorein von Astronomen und Astrophysikern häufig verwendeter Parameter.
Die am weitesten entfernte beobachtete Galaxie hatte einen Z-Faktor von 14,32. JWST hat auch mehr helle Galaxien bei az von 10 oder mehr gefunden, als aufgrund von Extrapolationen ihrer Anzahl bei niedrigeren z zu erwarten war. (Hier bedeutet „hell“ ultraviolettes Licht; z=10 entspricht einer Rezessionsgeschwindigkeit von 98,4 Prozent der Lichtgeschwindigkeit.)
Es wurden verschiedene Erklärungen für diesen Überschuss angeführt, wie z. B. aktive Sternentstehung und a kopflastige Anfangsmassenfunktion Dadurch entsteht mehr ultraviolette Strahlung, die Ursache ist jedoch noch unklar. Dies ist eine wichtige Frage, da das ultraviolette Leuchtkraftspektrum wichtige Informationen über die Entstehungsgeschichte dieser Galaxien, ihre Sternentstehungsaktivität und die Sternpopulation im fernen Universum enthält.
Mit Kollegen untersuchte Tatsuya Matsumoto von der Universität Kyoto in Japan das Potenzial von Gammastrahlenausbrüchen im hohen Z-Bereich, um den Ursprung des Überschusses an hellen Sternen und Galaxien zu erklären. Ihre Arbeit, veröffentlicht auf der arXiv Preprint-Server, wurde übermittelt Astrophysikalische Tagebuchbriefe.
Sie nutzten Daten der Einstein Probe, einem weltraumgestützten Röntgenteleskop, das im Januar 2024 hauptsächlich von China gestartet wurde. Die Einstein Probe verfügt über das Wide X-Ray Telescope, das sich für die Beobachtung von Gammastrahlenausbrüchen im hohen Z-Bereich eignet; Es kürzlich beobachtet ein Gammastrahlenausbruch mit einem Az-Wert von 4,859.
Matsumoto sagte, wenn einer der möglichen Gründe für den JWST-Überschuss „darin liegt, dass Sterne in diesen Galaxien effizienter gebildet werden, sollten Gammastrahlenausbrüche häufiger auftreten und könnten von der Einstein-Sonde entdeckt werden.“ Insbesondere fanden sie heraus, dass „die Entstehungsrate von Gammastrahlenausbrüchen bei z=10 oder höher ein unterschiedliches Verhalten aufweisen kann und die Erkennung der Rate durch die Einstein-Sonde oder zukünftige Gammastrahlenausbrüche die Ursache für den JWST-Überschuss klären wird.“ .“
Gammastrahlenausbrüche sind explosive Ereignisse im Universum – tatsächlich die hellsten und extremsten Ereignisse, die es im Universum gibt. Ihre intensive Strahlung dauert etwa zehn Millisekunden bis mehrere Stunden und wird vermutlich freigesetzt, wenn ein Stern zur Supernova wird und dann implodiert. (Andere scheinen durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne entstanden zu sein.) Sie sind äußerst selten – nur wenige pro Galaxie pro Million Jahre – und die meisten beobachteten Gammastrahlenausbrüche sind Milliarden Lichtjahre von uns entfernt.
Ein typischer Gammastrahlenausbruch (GRB) wird in nur wenigen Sekunden so viel Energie freisetzen wie die Sonne in ihrem gesamten zehn Milliarden Jahre langen Leben. Wenn ein solcher Ausbruch in der Milchstraße stattfinden würde und sein Strahl direkt auf die Erde gerichtet wäre, würde er den größten Teil des Lebens auf dem Planeten auslöschen. Es gibt zwei Arten von GRBs: „kurz“ mit einer Dauer von weniger als etwa 2 Sekunden und „lang“ mit einer Dauer von mehr als 2 Sekunden. Kurze GRBs machen etwa 30 % aller GRBs aus, lange GRBs 70 %.
Die Anzahl der GRBs im frühen Universum konnte aufgrund der Einschränkungen bisher verfügbarer Detektoren nur unzureichend bestimmt werden. Um dies zu überwinden, entwickelten Matsumoto und sein Team eine komplexe analytische Beziehung zwischen der Varianz der GRB-Bildungsraten, wenn z variiert, das heißt, wenn die Zeit bis ins frühe Universum zurückreicht. „Da lange Gammastrahlenausbrüche durch den Kollaps massereicher Sterne entstehen“, schrieben sie, „erforschen sie die Sternentstehungsaktivitäten im Hoch-Z-Bereich des Universums und verfolgen direkt die Sternentstehungsgeschichte.“
Wichtig ist, dass sie herausfanden, dass die Verteilung von GRBs mit Rotverschiebung von der möglichen Ursache des JWST-Überschusses abhängt. Wenn der Überschuss durch eine Erhöhung der inhärenten Sternentstehungsrate verursacht wird, zeigt die Rotverschiebungsverteilung einen Überschuss bei z von etwa 10 oder mehr. Wenn ein Übergang der anfänglichen Massenfunktion zu einer kopflastigen Funktion den JWST-Überschuss erzeugt, zeigt die Rotverschiebungsverteilung ebenfalls einen Überschuss, jedoch in einem anderen Ausmaß. Wenn andere Effekte den JWST-Überschuss verursachen, beispielsweise ein Beitrag aktiver galaktischer Kerne, wird die Verteilung reibungslos über az von 10 hinaus extrapoliert.
Weitere GRB-Daten sollten den Grund für den Überschuss klären. „Zusätzlich zur Einstein-Sonde“, sagte Matsumoto, „werden zukünftige Missionen wie HiZ-GUNDAM wird Gammastrahlenausbrüche erkennen und unser Verständnis des frühen Universums vertiefen.“
Weitere Informationen:
Tatsuya Matsumoto et al., Erforschung des Ursprungs des vom JWST entdeckten Sternentstehungsüberschusses durch Gammastrahlenausbrüche, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2409.11468
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