45.000 Galaxien funkeln auf dem neuen Foto des James Webb-Teleskops

„Zu den grundlegendsten Fragen der Astronomie gehört: Wie entstanden die ersten Sterne und Galaxien?“ Die NASA schreibt. Das James-Webb-Weltraumteleskop ist noch nicht lange im Weltraum, liefert aber bereits wichtige Erkenntnisse zu dieser monumentalen Frage.

Ein neues Bild, das im Rahmen eines von Webbs bedeutendsten wissenschaftlichen Programmen, dem JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), aufgenommen wurde, ist nicht nur visuell atemberaubend, sondern auch unglaublich wichtig für Wissenschaftler, die daran arbeiten, die Geschichte des Universums, insbesondere seine frühesten Tage, zu verstehen.

Als Teil von JADES wird Webb etwas mehr als einen Monat seiner wertvollen Teleskopzeit der Erfassung und Analyse sehr lichtschwacher, entfernter Galaxien widmen. Einige der Beobachtungen haben bereits stattgefunden, und die Daten dieser frühen Bilder strömen weiterhin ein.

„Während die Daten noch eingehen, hat JADES bereits Hunderte von Galaxien entdeckt, die existierten, als das Universum weniger als 600 Millionen Jahre alt war. Das Team hat auch Galaxien identifiziert, in denen eine Vielzahl junger, heißer Sterne glitzerten“, erklärt die NASA.

Das Gebiet GOODS-South wurde auch vom Hubble-Weltraumteleskop fotografiert, was deutlich macht, wie viel mehr Details Webb bietet.

„Mit JADES wollen wir viele Fragen beantworten, wie zum Beispiel: Wie haben sich die frühesten Galaxien zusammengesetzt? Wie schnell haben sie Sterne gebildet? Warum hören einige Galaxien auf, Sterne zu bilden?“ sagt Marcia Rieke von der University of Arizona in Tucson, Co-Leiterin des JADES-Programms.

Ryan Endsley von der University of Texas in Austin leitete eine Untersuchung der Galaxien, die nur 500 bis 850 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten. Diese Zeit, die als Epoche der Reionisierung bekannt ist, bleibt ziemlich mysteriös.

Die NASA erklärt die Reionisierung und schreibt: „Hunderte Millionen Jahre nach dem Urknall war das Universum mit einem gasförmigen Nebel gefüllt, der es für energiereiches Licht undurchsichtig machte. Eine Milliarde Jahre nach dem Urknall hatte sich der Nebel verzogen und das Universum verlassen.“ wurde transparent, ein Prozess, der als Reionisierung bekannt ist.

Einige Wissenschaftler glauben, dass supermassereiche Schwarze Löcher die namensgebende Reionisierung verursacht haben, andere glauben, dass Galaxien voller junger Sterne, die extrem heiß brennen, der Anstoß für die Reionisierung waren.

Im Rahmen von JADES haben Endsley und seine Kollegen diese überaus wichtigen entfernten, alten Galaxien mit Webbs Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) untersucht. Das Team wollte Beweise für die Sternentstehung finden und wurde fündig.

„Fast jede einzelne Galaxie, die wir finden, zeigt diese ungewöhnlich starken Emissionsliniensignaturen, die auf eine intensive Sternentstehung in jüngster Zeit hinweisen. Diese frühen Galaxien waren sehr gut darin, heiße, massereiche Sterne zu erzeugen“, sagt Endsley.

Die hellen, massereichen Sterne wiederum feuerten Ströme ultravioletten Lichts in den Weltraum ab, wodurch sich die Beschaffenheit des umgebenden Gases von undurchsichtig zu transparent veränderte. Dies wurde durch Ionisierung erreicht, bei der Elektronen aus ihren Kernen entfernt werden.

Da frühe Galaxien so viele heiße, massereiche Sterne hatten, waren sie möglicherweise der Hauptkatalysator für den Reionisierungsprozess, der in der wissenschaftlichen Gemeinschaft heftig diskutiert wurde.

„Endsley und seine Kollegen fanden auch Hinweise darauf, dass diese jungen Galaxien Perioden schneller Sternentstehung durchliefen, die von ruhigen Perioden unterbrochen wurden, in denen sich weniger Sterne bildeten. Diese Anfälle und Anfänge könnten aufgetreten sein, als Galaxien Klumpen gasförmiger Rohstoffe einfingen, die für die Sternentstehung benötigt werden. Alternativ dazu: Da massereiche Sterne schnell explodieren, haben sie möglicherweise in regelmäßigen Abständen Energie in die Umgebung injiziert und so verhindert, dass Gas zu neuen Sternen kondensiert“, schreibt die NASA.

Ein weiterer wichtiger Bestandteil von JADES ist die Suche nach sehr frühen Galaxien, in diesem Zusammenhang handelt es sich um Galaxien, die weniger als 400 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten.

„Durch die Untersuchung dieser Galaxien können Astronomen erforschen, wie sich die Sternentstehung in den ersten Jahren nach dem Urknall von der heutigen unterscheidet. Das Licht weit entfernter Galaxien wird durch die Expansion des Universums zu längeren Wellenlängen und rötlicheren Farben gestreckt – ein Phänomen, das Rotverschiebung genannt wird. Durch die Messung der Rotverschiebung einer Galaxie können Astronomen herausfinden, wie weit sie entfernt ist und wann sie im frühen Universum existierte“, erklärt die NASA.

Webb hat bereits die Art und Weise verändert, wie Wissenschaftler nach diesen sehr alten Galaxien suchen. Die NASA sagt: „Vor Webb wurden nur ein paar Dutzend Galaxien oberhalb einer Rotverschiebung von acht beobachtet, als das Universum jünger als 650 Millionen Jahre alt war, aber JADES hat jetzt fast tausend dieser extrem weit entfernten Galaxien entdeckt.“

In relativ kurzer Beobachtungszeit hat Webb die Suche nach antiken Galaxien revolutioniert.

Das Spektrum ist ein wichtiges Hilfsmittel bei der Suche nach sehr alten Galaxien. „Der Goldstandard zur Bestimmung der Rotverschiebung besteht in der Betrachtung des Spektrums einer Galaxie, das ihre Helligkeit bei einer Vielzahl eng beieinander liegender Wellenlängen misst. Eine gute Näherung lässt sich jedoch ermitteln, indem man Fotos einer Galaxie mit Filtern macht, die jeweils ein schmales Farbband abdecken.“ Holen Sie sich eine Handvoll Helligkeitsmessungen. Auf diese Weise können Forscher Schätzungen für die Entfernungen von vielen Tausend Galaxien auf einmal ermitteln“, erklärt die NASA.

Kevin Hainline von der University of Arizona in Tucson und seine Kollegen verwendeten Webbs Nahinfrarotkamera (NIRCAM), um diese kritischen Spektralmessungen zu erhalten, die als photometrische Rotverschiebungen bezeichnet werden.

Hainlines Team identifizierte mehr als 700 Galaxien, von denen sie glauben, dass sie existierten, als das Universum zwischen 370 und 650 Millionen Jahre alt war. Die große Zahl möglicher Galaxien übertrifft selbst die optimistischsten Schätzungen der Wissenschaftler vor Webbs Start bei weitem. Die bahnbrechende Auflösung und spektrale Empfindlichkeit von Webb zahlen sich enorm aus.

„Früher sahen die frühesten Galaxien, die wir sehen konnten, nur wie kleine Flecken aus. Und doch repräsentieren diese Flecken Millionen oder sogar Milliarden Sterne am Anfang des Universums“, sagt Hainline. „Jetzt können wir sehen, dass es sich bei einigen von ihnen tatsächlich um ausgedehnte Objekte mit sichtbarer Struktur handelt. Wir können Gruppierungen von Sternen sehen, die nur wenige hundert Millionen Jahre nach Beginn der Zeit geboren werden.“

Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (Universität von Arizona), Daniel Eisenstein (CfA). Bildverarbeitung: Alyssa Pagan (STScI)