Seit Jahrzehnten helfen uns Teleskope dabei, Licht von Galaxien einzufangen, die bereits 400 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind – unglaublich früh im Kontext der 13,8 Milliarden Jahre alten Geschichte des Universums. Aber was waren solche Galaxien, die noch früher existierten, als das Universum zu Beginn einer Periode, die als Ära der Reionisierung bekannt ist, halbtransparent war? Das nächste Flaggschiff-Observatorium der NASA, das James-Webb-Weltraumteleskop, ist bereit, unseren Wissensschatz um neue Reichtümer zu erweitern, nicht nur durch die Aufnahme von Bildern von Galaxien, die bereits in den ersten paar hundert Millionen Jahren nach dem Urknall existierten, sondern auch durch die Bereitstellung von Bildern für uns detaillierte Daten, die als Spektren bekannt sind. Mit Webbs Beobachtungen können Forscher erstmals etwas über den Aufbau und die Zusammensetzung einzelner Galaxien im frühen Universum sagen.
Die Next Generation Deep Extragalactic Exploratory Public (NGDEEP) Survey, die von Steven L. Finkelstein, einem außerordentlichen Professor an der University of Texas in Austin, gemeinsam geleitet wird, wird auf dieselben zwei Regionen abzielen, aus denen das Hubble Ultra Deep Field besteht – Standorte in der Sternbild Fornax, wo Hubble mehr als 11 Tage damit verbrachte, tiefe Aufnahmen zu machen. Um seine Beobachtungen zu erstellen, zielte das Hubble-Weltraumteleskop gleichzeitig mit zwei leicht voneinander versetzten Instrumenten auf nahe gelegene Bereiche des Himmels, die als Primär- und Parallelfeld bekannt sind. „Wir haben den gleichen Vorteil mit Webb“, erklärte Finkelstein. „Wir verwenden zwei wissenschaftliche Instrumente gleichzeitig und sie werden kontinuierlich beobachten.“ Sie werden Webbs Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) auf das primäre Hubble Ultra Deep Field und Webbs Near-Infrared Camera (NIRCam) auf das parallele Feld richten und für ihr „Buck“ an Teleskopzeit doppelt so viel bekommen.
Für die Bildgebung mit NIRCam werden sie über 125 Stunden beobachten. Mit jeder Minute, die vergeht, erhalten sie mehr und mehr Informationen aus immer tieferen Tiefen des Universums. Was suchen sie? Einige der frühesten Galaxien, die sich gebildet haben. „Wir haben wirklich gute Hinweise von Hubble, dass es zu einem Zeitpunkt 400 Millionen Jahre nach dem Urknall Galaxien gab“, sagte Finkelstein. „Die, die wir mit Hubble sehen, sind ziemlich groß und sehr hell. Es ist sehr wahrscheinlich, dass es kleinere, schwächere Galaxien gibt, die noch früher entstanden sind und darauf warten, gefunden zu werden.“
Dieses Programm wird nur etwa ein Drittel der Zeit in Anspruch nehmen, die Hubble bisher für ähnliche Untersuchungen aufgewendet hat. Wieso den? Dies liegt zum Teil daran, dass die Instrumente von Webb entwickelt wurden, um Infrarotlicht einzufangen. Wenn Licht durch den Weltraum auf uns zukommt, dehnt es sich aufgrund der Ausdehnung des Universums in längere, rötere Wellenlängen aus. „Webb wird uns dabei helfen, alle Grenzen zu überschreiten“, sagte Jennifer Lotz, Mitforscherin des Vorschlags und Direktorin des Gemini Observatory, Teil des NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) der National Science Foundation. „Und wir werden die Daten sofort veröffentlichen, damit alle Forscher davon profitieren.“
Diese Forscher werden sich auch darauf konzentrieren, den Metallgehalt in jeder Galaxie zu identifizieren, insbesondere in kleineren und dunkleren Galaxien, die noch nicht gründlich untersucht wurden – insbesondere mit den Spektren, die das NIRISS-Instrument von Webb liefert. „Eine der grundlegenden Möglichkeiten, wie wir die Evolution über die kosmische Zeit verfolgen, ist die Menge an Metallen in einer Galaxie“, erklärte Danielle Berg, Assistenzprofessorin an der University of Texas in Austin und Mitforscherin des Vorschlags. Als das Universum begann, gab es nur Wasserstoff und Helium. Neue Elemente wurden durch aufeinanderfolgende Generationen von Sternen gebildet. Durch die Katalogisierung des Inhalts jeder Galaxie werden die Forscher in der Lage sein, genau zu bestimmen, wann verschiedene Elemente existierten, und Modelle zu aktualisieren, die projizieren, wie sich Galaxien im frühen Universum entwickelt haben.
Machen Sie mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA eine Reise durch Zeit und Raum in das frühe Universum. Wie wird Webb die nie zuvor gesehenen ersten Galaxien enthüllen? Wonach suchen Astronomen? Entdecken Sie die Antworten auf diese Fragen und mehr in diesem Video. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Danielle Kirshenblat (STScI)
Abziehen neuer Schichten
Ein weiteres Programm unter der Leitung von Michael Maseda, einem Assistenzprofessor an der University of Wisconsin-Madison, wird das primäre Hubble Ultra Deep Field unter Verwendung des Microshutter-Arrays innerhalb des Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) von Webb untersuchen. Dieses Instrument gibt Spektren für bestimmte Objekte zurück, je nachdem, welche Miniaturverschlüsse die Forscher öffnen. „Diese Galaxien existierten während der ersten Milliarde Jahre in der Geschichte des Universums, über die wir bis heute nur sehr wenige Informationen haben“, erklärte Maseda. „Webb wird die erste große Stichprobe liefern, die uns die Möglichkeit gibt, sie im Detail zu verstehen.“
Wir wissen, dass diese Galaxien existieren, weil dieses Team – zusammen mit einem internationalen Forschungsteam – umfangreiche Beobachtungen mit dem Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE)-Instrument des bodengestützten Very Large Telescope gemacht hat. Obwohl MUSE der „Scout“ ist, der kleinere, schwächere Galaxien in diesem tiefen Feld identifiziert, wird Webb das erste Teleskop sein, das ihre chemische Zusammensetzung vollständig charakterisiert.
Diese extrem weit entfernten Galaxien haben wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis der Entstehung von Galaxien im frühen Universum. „Webb wird einen neuen Raum für Entdeckungen eröffnen“, erklärte Anna Feltre, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Nationalen Institut für Astrophysik in Italien und Mitforscherin. „Seine Daten werden uns helfen, genau zu erfahren, was passiert, wenn sich eine Galaxie bildet, einschließlich der Metalle, die sie enthalten, wie schnell sie wachsen und ob sie bereits Schwarze Löcher haben.“
Diese Forschung wird im Rahmen von Webbs General Observer (GO)-Programmen durchgeführt, die im Wettbewerb unter Verwendung einer doppelt anonymen Überprüfung ausgewählt werden, dem gleichen System, das verwendet wird, um Zeit auf dem Hubble-Weltraumteleskop zuzuweisen.