Columbia-Forscher haben bei der Analyse von Bildern des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA herausgefunden, dass Galaxien im frühen Universum oft flach und länglich sind, wie Grissini – und selten rund, wie Pizzateigbällchen.
„Ungefähr 50 bis 80 % der Galaxien, die wir untersucht haben, scheinen in zwei Dimensionen abgeflacht zu sein“, erklärte Viraj Pandya, NASA Hubble Fellow an der Columbia University und Hauptautor einer neuen Arbeit, die voraussichtlich in erscheinen wird Das Astrophysikalische Journal das die Ergebnisse umreißt. Das Papier ist derzeit veröffentlicht auf der arXiv Preprint-Server.
„Galaxien, die wie lange, dünne Grissini aussehen, scheinen im frühen Universum sehr häufig vorzukommen, was überraschend ist, da sie unter Galaxien im heutigen Universum ungewöhnlich sind.“
Das Team konzentrierte sich auf ein riesiges Feld von Nahinfrarotbildern, die von Webb geliefert wurden und als bekannt sind Umfrage zur Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS).Dabei werden Galaxien herausgerissen, die schätzungsweise existierten, als das Universum 600 Millionen bis 6 Milliarden Jahre alt war.
Während die meisten entfernten Galaxien wie Grissini aussehen, haben andere die Form von Pizzakuchen und Pizzateigbällchen. Die „Pizzateigbällchen“ oder kugelförmigen Galaxien scheinen die kleinste Art von Galaxien zu sein und wurden auch am seltensten identifiziert. Es wurde festgestellt, dass die Pizzakuchen-Galaxien entlang ihrer längsten Achse genauso groß sind wie Grissini-Galaxien. „Sie kommen häufiger im nahen Universum vor, das aufgrund der fortschreitenden Expansion des Universums aus älteren, ausgereifteren Galaxien besteht.“
Bildnachweis: Columbia University
In welche Kategorie würde unsere Milchstraße fallen, wenn wir die Uhr um Milliarden Jahre zurückdrehen könnten? „Unsere beste Vermutung ist, dass es eher wie ein Grissini ausgesehen haben könnte“, sagte Co-Autor Haowen Zhang, ein Ph.D. Kandidat an der University of Arizona in Tucson. Diese Hypothese basiert teilweise auf neuen Erkenntnissen von Webb – Theoretiker haben „die Uhr zurückgedreht“, um die Masse der Milchstraße vor Milliarden von Jahren abzuschätzen, was auf ihre wahrscheinliche Grissiniform in der fernen Vergangenheit schließen lässt.
Diese entfernten Galaxien sind auch weit weniger massereich als nahegelegene Spiral- und Ellipsengalaxien – sie sind Vorläufer massereicherer Galaxien wie unserer eigenen. „Im frühen Universum hatten Galaxien viel weniger Zeit zum Wachsen“, sagte Kartheik Iyer, Co-Autor und NASA Hubble Fellow, ebenfalls an der Columbia University.
„Die Identifizierung zusätzlicher Kategorien für frühe Galaxien ist spannend – es gibt jetzt noch viel mehr zu analysieren. Wir können jetzt untersuchen, wie die Formen der Galaxien mit ihrem Aussehen zusammenhängen, und ihre Entstehung viel detaillierter projizieren.“
Hubble, das Weltraumteleskop, das 1990 gestartet wurde und bis heute Daten sammelt, „zeigt seit langem einen Überschuss an länglichen Galaxien“, erklärte Co-Autor Marc Huertas-Company, Fakultätsforscher am Institut für Astrophysik auf den Kanarischen Inseln. Doch die Forscher fragten sich immer noch: Würden mit der Empfindlichkeit des 2021 gestarteten Webb-Teleskops für Infrarotlicht zusätzliche Details besser zur Geltung kommen?
„Webb bestätigte, dass Hubble in den von beiden beobachteten Galaxien keine zusätzlichen Merkmale übersehen hat. Außerdem zeigte Webb uns viele weitere entfernte Galaxien mit ähnlichen Formen, alle sehr detailliert“, sagte Huertas-Company.
Eine Frage ist natürlich, warum frühe Galaxien dazu neigten, so abgeflacht und langgestreckt zu sein. Eine Hypothese, erklärte Pandya, ist, dass das frühe Universum möglicherweise mit Filamenten aus dunkler Materie gefüllt war, die eine Art „Skeletthintergrund“ oder „kosmische Autobahn“ bildeten, die Gas und Sterne entlang dieser führte. Diese Filamente existieren immer noch, sind aber mit der Ausdehnung des Universums viel diffuser geworden, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass sie die Bildung brotstäbchenförmiger Galaxien fördern.
Der Artikel trägt den Titel „Galaxies Going Bananas“ und ist eine weitere Lebensmittelanalogie, die den Autoren beim Betrachten ihrer Daten in den Sinn kam. Als die Autoren die Seitenverhältnisse der Galaxien gegen ihre längste Achsenlänge auftrugen, stellten sie fest, dass die Diagramme, die dabei entstanden, eindeutig wie Bananen aussahen, eine Form, die ihre längliche Ellipsoidform (d. h. Grissiniform) widerspiegelt.
„Die Bananen sind eine andere Art auszudrücken, dass diese intrinsisch verlängerten Galaxien in den ersten 4 Milliarden Jahren des Universums die dominierenden zu sein scheinen“, sagte Pandya.
Es gibt immer noch Lücken in unserem Wissen. Forscher benötigen nicht nur eine noch größere Probengröße von Webb, um die Eigenschaften und genauen Standorte entfernter Galaxien weiter zu verfeinern, sondern sie müssen auch viel Zeit damit verbringen, ihre Modelle zu optimieren und zu aktualisieren, um die präzisen Geometrien entfernter Galaxien besser widerzuspiegeln.
„Das sind erste Ergebnisse“, sagte Co-Autorin Elizabeth McGrath, außerordentliche Professorin am Colby College in Waterville, Maine. „Wir müssen tiefer in die Daten eintauchen, um herauszufinden, was vor sich geht, aber wir sind sehr gespannt auf diese ersten Trends.“
Mehr Informationen:
Viraj Pandya et al., Galaxies Going Bananas: Inferring the 3D Geometry of High-Redshift Galaxies with JWST-CEERS, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2310.15232