Zweitfernste Galaxie, entdeckt mit dem James-Webb-Weltraumteleskop

Die zweit- und viertfernsten Galaxien, die jemals beobachtet wurden, wurden mithilfe von Daten des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA in einer Region des Weltraums entdeckt, die als Pandora-Cluster oder Abell 2744 bekannt ist.

Im Anschluss an ein Tieffeldbild des Gebiets bestätigte ein internationales Team unter der Leitung von Forschern der Penn State University die Entfernung dieser alten Galaxien und leitete ihre Eigenschaften anhand neuer spektroskopischer Daten – Informationen über das im gesamten elektromagnetischen Spektrum emittierte Licht – von JWST ab. Mit einer Entfernung von fast 33 Milliarden Lichtjahren bieten diese unglaublich weit entfernten Galaxien Einblicke in die Entstehung der frühesten Galaxien.

Im Gegensatz zu anderen in dieser Entfernung bestätigten Galaxien, die auf Bildern als rote Punkte erscheinen, sind die neuen Galaxien größer und sehen den Forschern zufolge wie eine Erdnuss und eine flauschige Kugel aus. A Papier, das die Galaxien beschreibt erscheint im Tagebuch Astrophysikalische Tagebuchbriefe.

„Über das frühe Universum ist sehr wenig bekannt, und die einzige Möglichkeit, etwas über diese Zeit zu erfahren und unsere Theorien über die Entstehung und das Wachstum früher Galaxien zu testen, sind diese sehr weit entfernten Galaxien“, sagte Erstautorin Bingjie Wang, Postdoktorandin am Penn State Eberly College of Science und Mitglied des JWST ENTDECKEN (Ultradeep NIRSpec and NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization) Team, das die Forschung durchgeführt hat.

„Vor unserer Analyse wussten wir nur von drei bestätigten Galaxien in etwa dieser extremen Entfernung. Die Untersuchung dieser neuen Galaxien und ihrer Eigenschaften hat die Vielfalt der Galaxien im frühen Universum offenbart und gezeigt, wie viel man daraus lernen kann.“

Da das Licht dieser Galaxien so lange zurücklegen musste, um die Erde zu erreichen, bietet es ein Fenster in die Vergangenheit. Das Forschungsteam schätzt, dass das vom JWST erfasste Licht von den beiden Galaxien emittiert wurde, als das Universum etwa 330 Millionen Jahre alt war, und etwa 13,4 Milliarden Lichtjahre zurücklegte, um das JWST zu erreichen. Aufgrund der Expansion des Universums in dieser Zeit seien die Galaxien derzeit jedoch näher an 33 Milliarden Lichtjahren von der Erde entfernt, sagten die Forscher.

„Das Licht dieser Galaxien ist uralt, etwa dreimal älter als die Erde“, sagte Joel Leja, Assistenzprofessor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State und Mitglied von UNCOVER. „Diese frühen Galaxien sind wie Leuchtfeuer, deren Licht durch das sehr dünne Wasserstoffgas bricht, aus dem das frühe Universum bestand. Nur durch ihr Licht können wir beginnen, die exotische Physik zu verstehen, die die Galaxie in der Nähe der kosmischen Morgendämmerung beherrschte.“

Bemerkenswert ist, dass die beiden Galaxien erheblich größer sind als die drei Galaxien, die sich zuvor in diesen extremen Entfernungen befanden. Einer ist mit einem Durchmesser von etwa 2.000 Lichtjahren mindestens sechsmal größer. Zum Vergleich: Die Milchstraße hat einen Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren, aber das frühe Universum, so Wang, sei vermutlich sehr komprimiert gewesen, daher sei es überraschend, dass die Galaxie so groß sei, wie sie sei.

„Zuvor entdeckte Galaxien in diesen Entfernungen sind Punktquellen – sie erscheinen in unseren Bildern als Punkt“, sagte Wang.

„Aber einer von uns sieht länglich aus, fast wie eine Erdnuss, und der andere sieht aus wie eine flauschige Kugel. Es ist unklar, ob der Größenunterschied darauf zurückzuführen ist, wie die Sterne entstanden sind oder was mit ihnen nach ihrer Entstehung passiert ist, aber die Vielfalt in.“ Die Eigenschaften der Galaxien sind wirklich interessant. Es wird erwartet, dass diese frühen Galaxien aus ähnlichen Materialien entstanden sind, aber sie zeigen bereits Anzeichen dafür, dass sie sich stark voneinander unterscheiden.“

Die beiden Galaxien gehörten zu den 60.000 Lichtquellen im Pandora-Cluster, die in einem der ersten Tieffeldbilder des JWST im Jahr 2022, dem ersten Jahr des wissenschaftlichen Betriebs, entdeckt wurden. Diese Region des Weltraums wurde teilweise ausgewählt, weil sie sich hinter mehreren Galaxienhaufen befindet, die einen natürlichen Vergrößerungseffekt erzeugen, der als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird.

Die Anziehungskraft der kombinierten Masse der Cluster verzerrt den Raum um sie herum, bündelt und vergrößert jegliches Licht, das in der Nähe vorbeikommt, und ermöglicht einen vergrößerten Blick hinter die Cluster.

Innerhalb weniger Monate grenzte das UNCOVER-Team die 60.000 Lichtquellen auf 700 Kandidaten für eine Folgestudie ein, von denen ihrer Meinung nach acht möglicherweise zu den ersten Galaxien gehören könnten. Dann zeigte JWST erneut auf den Pandora-Cluster und zeichnete die Spektren der Kandidaten auf – eine Art Fingerabdruck, der die bei jeder Wellenlänge abgegebene Lichtmenge detailliert beschreibt.

„Mehrere verschiedene Teams verwenden unterschiedliche Ansätze, um nach diesen alten Galaxien zu suchen, und jedes hat seine Stärken und Schwächen“, sagte Leja.

„Die Tatsache, dass wir auf diese riesige Vergrößerungslinse im Weltraum richten, gibt uns ein unglaublich tiefes Fenster, aber es ist ein sehr kleines Fenster, also haben wir gewürfelt. Mehrere der Kandidaten waren nicht schlüssig, und mindestens einer war ein Fall von falsche Identität – es war etwas viel Näheres, das eine entfernte Galaxie nachahmt. Aber wir hatten Glück und es stellte sich heraus, dass es sich bei zwei um diese alten Galaxien handelte. Es ist unglaublich.“

Die Forscher verwendeten außerdem detaillierte Modelle, um die Eigenschaften dieser frühen Galaxien abzuleiten, als sie das vom JWST erfasste Licht emittierten. Wie die Forscher erwartet hatten, waren die beiden Galaxien jung, hatten wenige Metalle in ihrer Zusammensetzung und wuchsen schnell und bildeten aktiv Sterne.

„Die ersten Elemente entstanden in den Kernen früher Sterne durch den Fusionsprozess“, sagte Leja. „Es macht Sinn, dass diese frühen Galaxien keine schweren Elemente wie Metalle haben, weil sie zu den ersten Fabriken gehörten, die diese schweren Elemente bauten. Und natürlich müssten sie jung und sternbildend sein, um die ersten Galaxien zu sein.“ , aber die Bestätigung dieser Eigenschaften ist ein wichtiger grundlegender Test unserer Modelle und hilft, das gesamte Paradigma der Urknalltheorie zu bestätigen.“

Die Forscher stellten fest, dass die leistungsstarken Infrarotinstrumente des JWST neben der Gravitationslinse in der Lage sein sollten, Galaxien in noch größerer Entfernung zu erkennen, sofern sie existieren.

„Wir hatten ein sehr kleines Fenster in diese Region und konnten nichts jenseits dieser beiden Galaxien beobachten, obwohl JWST dazu in der Lage ist“, sagte Leja. „Das könnte bedeuten, dass sich vor diesem Zeitpunkt einfach keine Galaxien gebildet haben und dass wir weiter entfernt nichts finden werden. Oder es könnte bedeuten, dass wir mit unserem kleinen Fenster nicht das Glück hatten.“

Diese Arbeit war das Ergebnis eines erfolgreichen Vorschlags, der der NASA vorgelegt wurde und vorschlug, wie JWST im ersten Jahr des wissenschaftlichen Betriebs eingesetzt werden könnte. In den ersten drei Einreichungszyklen erhielt die NASA vier- bis zehnmal mehr Vorschläge, als die verfügbare Beobachtungszeit am Teleskop zuließ, und musste nur einen Bruchteil dieser Vorschläge auswählen.

„Unser Team war sehr aufgeregt und ein wenig überrascht, als unser Vorschlag angenommen wurde“, sagte Leja. „Es erforderte Koordination, schnelles menschliches Handeln und das zweimalige Ausrichten des Teleskops auf dasselbe Objekt, was von einem Teleskop im ersten Jahr viel verlangt wird. Der Druck war groß, weil wir nur ein paar Monate Zeit hatten, um die Objekte zu bestimmen.“ Follow-up. Aber JWST wurde für die Suche nach diesen ersten Galaxien gebaut, und es ist so aufregend, das jetzt zu tun.“

Neben Penn State gehören dem Team Forscher der University of Texas Austin, der Swinburne University of Technology in Australien, der Ben-Gurion University of the Negev in Israel, der Yale University, der University of Pittsburgh, der Sorbonne Université in Frankreich und der Universität an von Kopenhagen in Dänemark, der Universität Genf in der Schweiz, der University of Massachusetts, der Universität Groningen in den Niederlanden, der Princeton University, der Waseda University in Japan, der Tufts University und dem National Optical-Infrared Astronomy Research (NOIR) Lab.