Ein internationales Team von Astronomen hat Daten des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA verwendet, um über die Entdeckung der frühesten bisher bestätigten Galaxien zu berichten. Das Licht dieser Galaxien hat mehr als 13,4 Milliarden Jahre gebraucht, um uns zu erreichen, da diese Galaxien weniger als 400 Millionen Jahre nach dem Urknall zurückreichen, als das Universum nur 2 % seines heutigen Alters hatte.
Frühere Daten von Webb hatten Kandidaten für solche jungen Galaxien geliefert. Jetzt wurden diese Ziele durch spektroskopische Beobachtungen bestätigt, die charakteristische und unverwechselbare Muster in den Fingerabdrücken des Lichts aufdecken, das von diesen unglaublich schwachen Galaxien kommt.
„Es war entscheidend zu beweisen, dass diese Galaxien tatsächlich das frühe Universum bewohnen. Es ist sehr gut möglich, dass nähere Galaxien sich als sehr weit entfernte Galaxien ausgeben“, sagte die Astronomin und Co-Autorin Emma Curtis-Lake von der University of Hertfordshire in den Vereinigten Staaten Königreich. „Das sichtbare Spektrum zu sehen, wie wir es uns erhofft haben, bestätigt, dass sich diese Galaxien am wahren Rand unserer Sicht befinden, einige weiter entfernt, als Hubble sehen konnte! Es ist eine enorm aufregende Leistung für die Mission.“
Die Beobachtungen resultierten aus einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlern, die die Entwicklung von zwei der Instrumente an Bord von Webb leiteten, der Nahinfrarotkamera (NIRCam) und des Nahinfrarotspektrografen (NIRSpec).
Die Untersuchung der schwächsten und frühesten Galaxien war die Hauptmotivation hinter den Konzepten für diese Instrumente. Im Jahr 2015 schlossen sich die Instrumententeams zusammen, um den JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) vorzuschlagen, ein ehrgeiziges Programm, dem etwas mehr als ein Monat der Teleskopzeit, verteilt auf zwei Jahre, zugewiesen wurde und das einen Blick auf das frühe Universum ermöglichen soll beispiellos in Tiefe und Detail.
JADES ist eine internationale Zusammenarbeit von mehr als achtzig Astronomen aus zehn Ländern. „Diese Ergebnisse sind der Höhepunkt dessen, warum sich die NIRCam- und NIRSpec-Teams zusammengeschlossen haben, um dieses Beobachtungsprogramm durchzuführen“, teilte Co-Autorin Marcia Rieke, Hauptforscherin von NIRCam von der University of Arizona in Tucson mit.
Die erste Runde der JADES-Beobachtungen konzentrierte sich auf das Gebiet in und um das Ultra Deep Field des Hubble-Weltraumteleskops. Seit über 20 Jahren ist dieser kleine Fleck am Himmel das Ziel fast aller großen Teleskope, die einen außergewöhnlich empfindlichen Datensatz erstellen, der das gesamte elektromagnetische Spektrum umfasst. Jetzt fügt Webb seine einzigartige Ansicht hinzu und liefert die schwächsten und schärfsten Bilder, die bisher erhalten wurden.
Das JADES-Programm begann mit NIRCam, wobei über 10 Tage Missionszeit verwendet wurden, um das Feld in neun verschiedenen Infrarotfarben zu beobachten und exquisite Bilder des Himmels zu erstellen. Die Region ist 15-mal größer als die tiefsten Infrarotbilder des Hubble-Weltraumteleskops, ist aber bei diesen Wellenlängen noch tiefer und schärfer. Das Bild hat nur die Größe eines Menschen, der aus einer Entfernung von einer Meile betrachtet wird. Es wimmelt jedoch von fast 100.000 Galaxien, von denen jede zu einem bestimmten Zeitpunkt in ihrer Geschichte, Milliarden von Jahren in der Vergangenheit, eingefangen wurde.
„Zum ersten Mal haben wir Galaxien nur 350 Millionen Jahre nach dem Urknall entdeckt, und wir können uns ihrer fantastischen Entfernungen absolut sicher sein“, sagte Co-Autor Brant Robertson von der University of California, Santa Cruz, ein Mitglied der NIRCam-Wissenschaftsteam. „Diese frühen Galaxien in so atemberaubend schönen Bildern zu finden, ist ein besonderes Erlebnis.“
Auf diesen Bildern können die Galaxien im frühen Universum durch einen verräterischen Aspekt ihrer Multiwellenlängenfarben unterschieden werden. Licht wird in der Wellenlänge gestreckt, wenn sich das Universum ausdehnt, und das Licht dieser jüngsten Galaxien wurde um einen Faktor von bis zu 14 gestreckt.
Astronomen suchen nach schwachen Galaxien, die im Infrarot sichtbar sind, deren Licht jedoch bei einer kritischen Wellenlänge abrupt abbricht. Die Position des Cutoff innerhalb des Spektrums jeder Galaxie wird durch die Expansion des Universums verschoben. Das JADES-Team durchsuchte die Webb-Bilder nach diesen markanten Kandidaten.
Anschließend verwendeten sie das NIRSpec-Instrument für einen einzigen Beobachtungszeitraum von drei Tagen mit insgesamt 28 Stunden Datenerfassung. Das Team sammelte das Licht von 250 schwachen Galaxien und ermöglichte es den Astronomen, die Muster zu untersuchen, die von den Atomen in jeder Galaxie in das Spektrum eingeprägt wurden. Dies führte zu einer präzisen Messung der Rotverschiebung jeder Galaxie und enthüllte die Eigenschaften des Gases und der Sterne in diesen Galaxien.
„Das sind bei weitem die schwächsten Infrarotspektren, die jemals aufgenommen wurden“, sagte der Astronom und Co-Autor Stefano Carniani von der Scuola Normale Superiore in Italien. „Sie enthüllen, was wir zu sehen hofften: eine präzise Messung der Grenzwellenlänge von Licht aufgrund der Streuung von intergalaktischem Wasserstoff.“
Vier der untersuchten Galaxien sind besonders speziell, da sie in einer beispiellos frühen Epoche entdeckt wurden. Die Ergebnisse lieferten eine spektroskopische Bestätigung, dass diese vier Galaxien bei Rotverschiebungen über 10 liegen, darunter zwei bei einer Rotverschiebung von 13. Dies entspricht einer Zeit, als das Universum etwa 330 Millionen Jahre alt war, und setzte eine neue Grenze bei der Suche nach weit entfernten Galaxien. Diese Galaxien sind aufgrund ihrer großen Entfernung von uns extrem lichtschwach. Dank Webbs exquisiter Sensibilität können Astronomen jetzt ihre Eigenschaften erforschen.
Der Astronom und Co-Autor Sandro Tacchella von der University of Cambridge im Vereinigten Königreich erklärte: „Es ist schwer, Galaxien zu verstehen, ohne die Anfangsperioden ihrer Entwicklung zu verstehen diese frühen Generationen von Sternen. So viele Fragen zu Galaxien haben auf die transformative Gelegenheit von Webb gewartet, und wir sind begeistert, eine Rolle bei der Enthüllung dieser Geschichte spielen zu können.“
JADES wird 2023 mit einer detaillierten Untersuchung eines anderen Feldes fortfahren, dieses konzentriert sich auf das ikonische Hubble Deep Field, und dann für eine weitere Runde tiefer Bildgebung und Spektroskopie zum Ultra Deep Field zurückkehren. Viele weitere Kandidaten auf dem Gebiet warten auf spektroskopische Untersuchungen, wobei Hunderte von Stunden zusätzlicher Zeit bereits genehmigt wurden.