Wenige Tage nach dem offiziellen Beginn des wissenschaftlichen Betriebs beförderte das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA Astronomen in ein Reich früher Galaxien, das zuvor allen anderen Teleskopen entzogen war. Webb enthüllt jetzt ein sehr reiches Universum, in dem die sich zuerst bildenden Galaxien bemerkenswert anders aussehen als die reifen Galaxien, die wir heute um uns herum sehen.
Forscher haben zwei außergewöhnlich helle Galaxien gefunden, die ungefähr 300 und 400 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten. Ihre extreme Helligkeit ist für Astronomen rätselhaft. Die jungen Galaxien wandeln Gas so schnell sie können in Sterne um und erscheinen in Kugel- oder Scheibenformen verdichtet, die viel kleiner sind als unsere Milchstraße. Der Beginn der Sterngeburt könnte nur 100 Millionen Jahre nach dem Urknall gewesen sein, der vor 13,8 Milliarden Jahren stattfand.
„Alles, was wir sehen, ist neu. Webb zeigt uns, dass es ein sehr reiches Universum gibt, das über das hinausgeht, was wir uns vorgestellt haben“, sagte Tommaso Treu von der University of California in Los Angeles, ein Co-Ermittler eines der Webb-Programme. „Wieder einmal hat uns das Universum überrascht. Diese frühen Galaxien sind in vielerlei Hinsicht sehr ungewöhnlich.“
Die Ergebnisse stammen aus Webbs GLASS-JWST Early Release Science Program (Grism Lens-Amplified Survey from Space) und Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS). Zwei Forschungsarbeiten unter der Leitung von Marco Castellano vom Nationalen Institut für Astrophysik in Rom, Italien, und Rohan Naidu vom Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian und das Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts wurden in veröffentlicht Die Briefe des astrophysikalischen Journals.
In nur vier Analysetagen fanden die Forscher zwei außergewöhnlich helle Galaxien in den GLASS-JWST-Bildern. Diese Galaxien existierten ungefähr 450 und 350 Millionen Jahre nach dem Urknall (mit Rotverschiebungen von ungefähr 10,5 bzw. 12,5), was zukünftige spektroskopische Messungen mit Webb bestätigen helfen werden.
„Bei Webb waren wir erstaunt, nur wenige Tage, nachdem Webb seine ersten Daten veröffentlicht hatte, das entfernteste Sternenlicht zu finden, das jemals jemand gesehen hatte“, sagte Rohan Naidu von der weiter entfernten GLASS-Galaxie, die als GLASS-z12 bezeichnet wird und von der angenommen wird, dass sie es ist reichen bis 350 Millionen Jahre nach dem Urknall zurück. Der bisherige Rekordhalter ist die Galaxie GN-z11, die 400 Millionen Jahre nach dem Urknall (Rotverschiebung 11,1) existierte und 2016 vom Hubble- und Keck-Observatorium in Deep-Sky-Programmen identifiziert wurde.
„Basierend auf all den Vorhersagen dachten wir, wir müssten ein viel größeres Volumen des Weltraums durchsuchen, um solche Galaxien zu finden“, sagte Castellano.
„Bei diesen Beobachtungen explodiert einem einfach der Kopf. Das ist ein ganz neues Kapitel in der Astronomie. Es ist wie eine archäologische Ausgrabung, wenn man plötzlich eine verlorene Stadt oder etwas findet, von dem man nichts wusste. Es ist einfach umwerfend“, fügte Paola Santini, Vierte, hinzu Autor des Castellano et al. GLAS-JWST-Papier.
„Während die Entfernungen dieser frühen Quellen noch durch Spektroskopie bestätigt werden müssen, sind ihre extremen Helligkeiten ein echtes Rätsel, das unser Verständnis der Galaxienentstehung herausfordert“, bemerkte Pascal Oesch von der Universität Genf in der Schweiz.
Die Webb-Beobachtungen bringen Astronomen zu einem Konsens, dass eine ungewöhnliche Anzahl von Galaxien im frühen Universum viel heller war als erwartet. Dies wird es Webb erleichtern, noch mehr frühe Galaxien in späteren Deep-Sky-Durchmusterungen zu finden, sagen Forscher.
„Wir haben etwas unglaublich Faszinierendes auf den Punkt gebracht. Diese Galaxien hätten vielleicht erst 100 Millionen Jahre nach dem Urknall zusammenkommen müssen. Niemand erwartete, dass das dunkle Zeitalter so früh enden würde“, sagte Garth Illingworth von der Universität von Kalifornien in Santa Cruz. „Das Uruniversum wäre nur ein Hundertstel seines jetzigen Alters gewesen. Es ist ein Bruchteil der Zeit in dem 13,8 Milliarden Jahre alten, sich entwickelnden Kosmos.“
Naidu/Oesch-Teammitglied Erica Nelson von der University of Colorado bemerkte: „Unser Team war beeindruckt, die Formen dieser ersten Galaxien vermessen zu können; ihre ruhigen, geordneten Scheiben stellen unser Verständnis in Frage, wie sich die ersten Galaxien in den überfüllten, chaotischen Galaxien gebildet haben frühen Universum.“ Diese bemerkenswerte Entdeckung von CDs zu so frühen Zeiten war nur möglich, weil Webbs Bilder im Infrarotlicht so viel schärfer sind als die von Hubble.
„Diese Galaxien unterscheiden sich stark von der Milchstraße oder anderen großen Galaxien, die wir heute um uns herum sehen“, sagte Treu.
Illingworth betonte, dass die beiden hellen Galaxien, die von diesen Teams gefunden wurden, viel Licht haben. Er sagte, eine Möglichkeit sei, dass sie sehr massereich gewesen sein könnten, mit vielen massearmen Sternen, wie spätere Galaxien. Alternativ könnten sie viel weniger massereich sein und aus weit weniger außergewöhnlich hellen Sternen bestehen, die als Sterne der Population III bekannt sind.
Lange wurde vermutet, dass sie die ersten jemals geborenen Sterne sein würden, die bei sengenden Temperaturen glühten und nur aus primordialem Wasserstoff und Helium bestanden; erst später würden Sterne in ihren Kernfusionsöfen schwerere Elemente erhitzen. Im lokalen Universum sind keine derart extrem heißen Ursterne zu sehen.
„Tatsächlich ist die am weitesten entfernte Quelle sehr kompakt, und ihre Farben scheinen darauf hinzudeuten, dass ihre Sternpopulation besonders frei von schweren Elementen ist und sogar einige Sterne der Population III enthalten könnte. Nur Webb-Spektren werden dies zeigen“, sagte Adriano Fontana, Zweitautor von die Castellano et al. paper und Mitglied des GLASS-JWST-Teams.
Derzeitige Webb-Entfernungsschätzungen zu diesen beiden Galaxien basieren auf der Messung ihrer Infrarotfarben. Spektroskopische Folgemessungen, die zeigen, wie Licht im expandierenden Universum gestreckt wurde, werden schließlich eine unabhängige Bestätigung dieser kosmischen Maßstabsmessungen liefern.
Mehr Informationen:
Marco Castellano et al., Frühe Ergebnisse von GLASS-JWST. III. Galaxienkandidaten bei z ∼9–15*, Die Briefe des astrophysikalischen Journals (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/ac94d0
Guido Roberts-Borsani et al., Frühe Ergebnisse von GLASS-JWST. I: Bestätigung von Lensed z ≥ 7 Lyman-Break-Galaxien hinter dem Abell 2744 Cluster mit NIRISS, Die Briefe des astrophysikalischen Journals (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/ac8e6e