Das James Webb-Weltraumteleskop der NASA blickt tief in den Kosmos und ermöglicht Wissenschaftlern den ersten detaillierten Blick auf Supernovas aus einer Zeit, als unser Universum nur einen Bruchteil seines heutigen Alters hatte. Ein Team hat mithilfe von Webb-Daten zehnmal mehr Supernovas im frühen Universum identifiziert als bisher bekannt. Einige der neu entdeckten explodierenden Sterne sind die am weitesten entfernten Beispiele ihrer Art, darunter auch jene, die zur Messung der Expansionsrate des Universums verwendet werden.
„Webb ist eine Maschine zur Entdeckung von Supernovas“, sagte Christa DeCoursey, eine Doktorandin im dritten Jahr am Steward Observatory und der University of Arizona in Tucson. „Die schiere Anzahl der Entdeckungen und die großen Entfernungen zu diesen Supernovas sind die beiden aufregendsten Ergebnisse unserer Untersuchung.“
DeCoursey präsentierte diese Ergebnisse in einer Pressekonferenz im 244. Treffen der American Astronomical Society in Madison, Wisconsin.
„Eine Supernova-Entdeckungsmaschine“
Um diese Entdeckungen zu machen, analysierte das Team Bilddaten, die im Rahmen des JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)-Programms gewonnen wurden. Webb ist ideal, um extrem weit entfernte Supernovae zu finden, da ihr Licht in längere Wellenlängen gestreckt wird – ein Phänomen, das als kosmologische Rotverschiebung bekannt ist.
Vor dem Start von Webb wurden nur eine Handvoll Supernovae oberhalb einer Rotverschiebung von 2 gefunden, was der Zeit entspricht, als das Universum erst 3,3 Milliarden Jahre alt war – also gerade mal 25 Prozent seines heutigen Alters. Die JADES-Probe enthält viele Supernovae, die in noch weiter entfernter Vergangenheit explodierten, als das Universum weniger als 2 Milliarden Jahre alt war.
Bisher nutzten Forscher das Hubble-Weltraumteleskop der NASA, um Supernovae zu beobachten, als sich das Universum im „jungen Erwachsenenstadium“ befand. Mit JADES können Wissenschaftler Supernovae beobachten, als sich das Universum in seiner „Teenager-“ oder „Vor-Teenager-Phase“ befand. In der Zukunft hoffen sie, einen Blick zurück auf die „Kleinkind-“ oder „Säuglings“-Phase des Universums werfen zu können.
Um die Supernovas zu entdecken, verglich das Team mehrere Bilder, die im Abstand von bis zu einem Jahr aufgenommen wurden, und suchte nach Quellen, die auf diesen Bildern verschwanden oder auftauchten. Diese Objekte, deren beobachtete Helligkeit im Laufe der Zeit variiert, werden als Transienten bezeichnet, und Supernovas sind eine Art von Transienten. Insgesamt entdeckte das JADES Transient Survey Sample-Team etwa 80 Supernovas in einem Himmelsausschnitt, der nur etwa so dick war wie ein Reiskorn, das man auf Armlänge von sich weghielt.
„Dies ist tatsächlich unsere erste Probe davon, wie das Universum mit hoher Rotverschiebung für die transiente Wissenschaft aussieht“, sagte Teamkollege Justin Pierel, ein NASA-Einstein-Stipendiat am Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland. „Wir versuchen herauszufinden, ob entfernte Supernovas sich grundlegend von dem unterscheiden, was wir im nahen Universum sehen, oder ob sie dem sehr ähnlich sind.“
Pierel und andere Forscher des STScI führten eine Expertenanalyse durch, um zu bestimmen, bei welchen Transienten es sich tatsächlich um Supernovae handelte und bei welchen nicht, da sie oft sehr ähnlich aussahen.
Das Team identifizierte eine Reihe von Supernovas mit hoher Rotverschiebung, darunter die am weitesten entfernte, die jemals spektroskopisch nachgewiesen wurde, mit einer Rotverschiebung von 3,6. Ihr Vorgängerstern explodierte, als das Universum erst 1,8 Milliarden Jahre alt war. Es handelt sich um eine sogenannte Kernkollaps-Supernova, eine Explosion eines massereichen Sterns.
Entdeckung ferner Supernovas vom Typ Ia
Von besonderem Interesse für Astrophysiker sind Supernovas vom Typ Ia. Diese explodierenden Sterne sind so vorhersehbar hell, dass sie zur Messung großer kosmischer Entfernungen verwendet werden und Wissenschaftlern helfen, die Expansionsrate des Universums zu berechnen. Das Team identifizierte mindestens eine Supernova vom Typ Ia bei einer Rotverschiebung von 2,9. Das Licht dieser Explosion begann vor 11,5 Milliarden Jahren seine Reise zu uns, als das Universum gerade einmal 2,3 Milliarden Jahre alt war. Der bisherige Entfernungsrekord für eine spektroskopisch bestätigte Supernova vom Typ Ia lag bei einer Rotverschiebung von 1,95, als das Universum 3,4 Milliarden Jahre alt war.
Wissenschaftler möchten Supernovas vom Typ Ia bei hohen Rotverschiebungen analysieren, um zu sehen, ob sie alle unabhängig von ihrer Entfernung die gleiche Helligkeit aufweisen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, denn wenn ihre Helligkeit mit der Rotverschiebung schwankt, wären sie keine zuverlässigen Marker für die Messung der Expansionsrate des Universums.
Pierel analysierte diese Supernova vom Typ Ia, die bei einer Rotverschiebung von 2,9 gefunden wurde, um festzustellen, ob ihre intrinsische Helligkeit anders war als erwartet. Obwohl dies erst das erste derartige Objekt ist, deuten die Ergebnisse nicht darauf hin, dass sich die Helligkeit von Typ Ia mit der Rotverschiebung ändert. Es werden mehr Daten benötigt, aber vorerst bleiben die auf Supernovas vom Typ Ia basierenden Theorien über die Expansionsrate des Universums und sein endgültiges Schicksal intakt. Pierel präsentierte seine Ergebnisse auch auf der 244. Tagung der American Astronomical Society.
Ein Blick in die Zukunft
Das frühe Universum war ein ganz anderer Ort mit extremen Umgebungsbedingungen. Wissenschaftler erwarten urzeitliche Supernovas, die von Sternen stammen, die weit weniger schwere chemische Elemente enthalten als Sterne wie unsere Sonne. Der Vergleich dieser Supernovas mit denen im lokalen Universum wird Astrophysikern helfen, die Sternentstehungs- und Supernova-Explosionsmechanismen in diesen frühen Zeiten zu verstehen.
„Wir öffnen im Wesentlichen ein neues Fenster zum vergänglichen Universum“, sagte STScI-Fellow Matthew Siebert, der die spektroskopische Analyse der JADES-Supernovae leitet. „Wann immer wir das bisher gemacht haben, haben wir äußerst aufregende Dinge gefunden – Dinge, die wir nicht erwartet hatten.“
„Weil Webb so empfindlich ist, findet es Supernovas und andere kurzlebige Phänomene fast überall, wohin es zeigt“, sagte Eiichi Egami, Mitglied des JADES-Teams und Forschungsprofessor an der University of Arizona in Tucson. „Dies ist der erste bedeutende Schritt hin zu umfangreicheren Supernova-Untersuchungen mit Webb.“