Ein internationales Team von Astronomen hat mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA gravitativ gebundene Sternhaufen entdeckt, als das Universum 460 Millionen Jahre alt war. Dies ist die erste Entdeckung von Sternhaufen in einer jungen Galaxie weniger als 500 Millionen Jahre nach dem Urknall.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Natur.
Junge Galaxien im frühen Universum durchliefen bedeutende Phasen der Sternentstehung, bei denen erhebliche Mengen ionisierender Strahlung erzeugt wurden. Aufgrund ihrer kosmologischen Entfernungen erwiesen sich direkte Untersuchungen ihres Sterneninhalts jedoch als schwierig. Mithilfe von Webb hat ein internationales Team von Astronomen nun fünf junge massereiche Sternhaufen im Cosmic Gems-Bogen (SPT0615-JD1) entdeckt, einer stark linsenförmigen Galaxie, die Licht aussendete, als das Universum etwa 460 Millionen Jahre alt war, und blickt damit auf 97 % der kosmischen Zeit zurück.
Der Cosmic Gems-Bogen wurde ursprünglich auf Bildern des Hubble-Weltraumteleskops der NASA/ESA entdeckt, die vom RELICS-Programm (Reionization Lensing Cluster Survey) des Linsengalaxienhaufens SPT-CL J0615−5746 aufgenommen wurden.
„Diese Galaxien gelten als Hauptquelle der intensiven Strahlung, die das frühe Universum reionisierte“, sagte die Hauptautorin Angela Adamo von der Universität Stockholm und dem Oskar Klein Centre in Schweden. „Das Besondere am Cosmic Gems-Bogen ist, dass wir dank der Gravitationslinsen die Galaxie tatsächlich bis auf Parsec-Skalen auflösen können.“
Pan of Cosmic Gems (Galaxienhaufen SPT-CL J0615−5746). Bildnachweis: ESA/Hubble/Webb
Mit Webb kann das Wissenschaftsteam nun sehen, wo Sterne entstanden sind und wie sie verteilt sind, auf ähnliche Weise, wie das Hubble-Weltraumteleskop zur Untersuchung lokaler Galaxien verwendet wird. Webbs Ansicht bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Sternentstehung und die inneren Vorgänge junger Galaxien aus solch beispielloser Entfernung zu untersuchen.
„Webbs unglaubliche Empfindlichkeit und Winkelauflösung bei nahen Infrarotwellenlängen, kombiniert mit der Gravitationslinsenwirkung des massiven Galaxienhaufens im Vordergrund, haben diese Entdeckung ermöglicht“, erklärte Larry Bradley vom Space Telescope Science Institute und Leiter des Webb-Beobachtungsprogramms, das diese Daten erfasste. „Kein anderes Teleskop hätte diese Entdeckung machen können.“
„Die Überraschung und das Erstaunen waren unglaublich, als wir die Webb-Bilder zum ersten Mal öffneten“, fügte Adamo hinzu. „Wir sahen eine kleine Kette heller Punkte, die von einer Seite zur anderen gespiegelt waren – diese kosmischen Juwelen sind Sternhaufen. Ohne Webb hätten wir nicht gewusst, dass wir Sternhaufen in einer so jungen Galaxie betrachteten.“
In unserer Milchstraße sehen wir uralte Kugelsternhaufen, die durch die Schwerkraft zusammengehalten werden und Milliarden von Jahren überdauert haben. Dies sind alte Relikte intensiver Sternentstehung im frühen Universum, aber es ist nicht gut verstanden, wo und wann diese Haufen entstanden sind. Die Entdeckung massiver junger Sternhaufen im Cosmic Gems-Bogen bietet uns einen hervorragenden Einblick in die frühen Stadien eines Prozesses, der möglicherweise zur Bildung von Kugelsternhaufen führt.
Die neu entdeckten Sternhaufen im Bogen sind massiv, dicht und befinden sich in einem sehr kleinen Bereich ihrer Galaxie, sie liefern aber auch den Großteil des ultravioletten Lichts ihrer Wirtsgalaxie. Die Sternhaufen sind deutlich dichter als nahegelegene Sternhaufen. Diese Entdeckung wird Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie junge Galaxien ihre Sterne bildeten und wo Kugelsternhaufen entstanden.
Das Team weist darauf hin, dass diese Entdeckung eine Vielzahl wissenschaftlicher Bereiche miteinander verbindet.
„Diese Ergebnisse liefern direkte Beweise dafür, dass sich während der Reionisierungsära in lichtschwachen Galaxien protoglobuläre Sternhaufen gebildet haben. Das trägt zu unserem Verständnis bei, wie es diesen Galaxien gelungen ist, das Universum zu reionisieren“, erklärte Adamo.
„Diese Entdeckung wirft auch wichtige Fragen zur Entstehung von Kugelsternhaufen und ihren ursprünglichen Eigenschaften auf. So liefern uns die hohen Sterndichten in den Haufen den ersten Hinweis auf die Prozesse, die in ihrem Inneren stattfinden, und geben uns damit neue Einblicke in die mögliche Entstehung von sehr massereichen Sternen und Schwarzlochsamen, die beide für die Galaxienentwicklung wichtig sind.“
Das Team hofft, in der Zukunft eine Auswahl von Galaxien zusammenstellen zu können, für die ähnliche Auflösungen erreicht werden können.
„Ich bin überzeugt, dass es im frühen Universum noch weitere Systeme wie dieses gibt, die darauf warten, entdeckt zu werden. Dadurch können wir unser Verständnis früher Galaxien vertiefen“, sagte Eros Vanzella vom INAF-Observatorium für Astrophysik und Weltraumforschung in Bologna (OAS) in Italien, einer der Hauptverantwortlichen für die Arbeit.
In der Zwischenzeit bereitet sich das Team auf weitere Beobachtungen und Spektroskopie mit Webb vor.
„Wir planen, diese Galaxie im dritten Zyklus mit Webbs NIRSpec- und MIRI-Instrumenten zu untersuchen“, fügte Bradley hinzu. „Die NIRSpec-Beobachtungen werden es uns ermöglichen, die Rotverschiebung der Galaxie zu bestätigen und die Ultraviolettstrahlung der Sternhaufen zu untersuchen, was uns helfen wird, ihre physikalischen Eigenschaften genauer zu untersuchen. Die MIRI-Beobachtungen werden es uns ermöglichen, die Eigenschaften ionisierten Gases zu untersuchen. Die spektroskopischen Beobachtungen werden es uns außerdem ermöglichen, die Sternentstehungsrate räumlich abzubilden.“
Mehr Informationen:
Angela Adamo et al., Gebundene Sternhaufen, beobachtet in einer Linsengalaxie 460 Millionen Jahre nach dem Urknall, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07703-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07703-7