JWST beantwortet endlich unsere größten kosmischen Fragen

Wenn Sie wissen möchten, wie das Universum aussieht, müssen Sie nur hinschauen. Je besser Ihre Augen sind, desto besser sehen Sie. Aus diesem Grund haben sich viele unserer Fortschritte in der Astronomie mit Fortschritten und Verbesserungen unserer optischen Teleskope überschnitten. Wir haben sie immer größer gebaut, wobei Teleskope der 8- bis 10-Meter-Klasse derzeit vom Boden aus die Welt anführen, und Teleskope der 30-Meter-Klasse sind in Vorbereitung. Wir haben diese Teleskope mit besseren, empfindlicheren Instrumenten ausgestattet, die das Beste aus jedem von ihnen gesammelten Lichtquantum herausholen, indem wir verschiedene Wellenlängenfilter, Spektroskopie und eine Vielzahl anderer fortschrittlicher Techniken nutzen.

Am Boden haben wir beispiellose adaptive Optiksysteme entwickelt, um die durch die Atmosphäre verursachten Verzerrungen zu „entschärfen“, und sind in einigen Fällen sogar über die Atmosphäre hinaus in den Weltraum vorgedrungen. Je besser die Augen sind, desto klarer wird das Universum.

Aber es gibt eine Grenze für die Möglichkeiten optischer Teleskope, und diese Grenzen werden durch das Universum selbst gesetzt. Wenn sich das Universum ausdehnt, wird die Wellenlänge des Lichts, das es durchläuft, gedehnt, und diese Dehnung wird umso stärker, je weiter ein Objekt entfernt ist. Ultraviolettes Licht wird in den optischen Bereich und dann darüber hinaus in den Infrarotbereich gestreckt. Hier kommt das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) ins Spiel. Mit seinen Infrarotaugen und seiner weit entfernten Position im Weltraum enthüllt es wirklich das Universum, wie wir es uns nur erträumt haben, voller enormer Fortschritte und Überraschungen.

Von der Erde aus sind wir stark dadurch eingeschränkt, welche Art von Licht durch die Atmosphäre übertragen werden kann. Wir können optisches Licht sehr gut sehen, jedoch nur kleine Teile des ultravioletten und nahen Infrarotanteils des Spektrums. Wir können fast kein Röntgen- oder Gammastrahlenlicht und fast kein mittleres Infrarot-, Ferninfrarot- oder Mikrowellenlicht sehen, bevor die Dinge im Radio wieder klar werden. Das ist der große Vorteil des Weltraums: Sie beseitigen nicht nur die Unschärfeeffekte der Erdatmosphäre, sondern einige sehr wichtige Wellenlängen des Lichts sind vom Boden aus überhaupt nicht beobachtbar.

Hubble lieferte eine bemerkenswerte Fülle an Daten, nicht nur bei optischen Wellenlängen, sondern auch bei Wellenlängen im nahen Infrarot. Der Grund dafür, dass Hubble aus der Nähe wie eine „Blechdose“ aussieht, liegt darin, dass wir wollen, dass es kalt ist: um so viel Licht und Wärme wie möglich zu reflektieren, die auf ihn treffen. Infrarotlicht ist das, was wir als Wärme empfinden, und wir wissen, dass Dinge, wenn sie heiß genug werden, im sichtbaren Licht leuchten: rot, orange, gelb oder sogar weiß bis blau, wenn es heiß genug ist. Auch wenn man es im sichtbaren Licht nicht leuchten sieht, emittieren Objekte wie das Hubble-Weltraumteleskop erhebliche Mengen Licht im Infrarotbereich. Infolgedessen ist Hubble trotz der mit Hubble unternommenen Reflexionsbemühungen nur in der Lage, eine Wellenlänge von etwa ~2 Mikrometern zu beobachten, bevor thermisches Rauschen die Instrumente überwältigt.

Deshalb ist JWST zumindest aus astronomischer Sicht in vielerlei Hinsicht so bemerkenswert.

Um diese mittleren Infrarotwellenlängen zu untersuchen, muss das Instrument, das diese Daten verwendet (MIRI: das Mid-InfraRed Instrument), noch weiter gekühlt werden; Es ist das einzige System, das an Bord von JWST aktiv gekühlt wird, und zwar bis auf etwa 6–7 K. Ausgestattet mit diesen Fähigkeiten ist JWST in der Lage, Galaxien zu sehen, die zu weit entfernt, zu schwach sind und deren Licht zu lange gestreckt wurde eine Wellenlänge des expandierenden Universums, die von Hubble gesehen werden kann.

Aber es würde nicht klar sein, wie gut JWST im Vergleich zu seinen Vorgängern sein würde, bis wir nachschauten. Der Grund dafür ist, dass wir es verwenden, um das noch unbeobachtete Universum zu erforschen: wo wir noch keine Daten haben. Sicher, wir haben Erwartungen an das, was unserer Meinung nach da sein sollte, aber das Universum war schon früher voller Überraschungen und Fragen wie:

Das sind alles Fragen, die JWST zum ersten Mal beantworten könnte.

Es gibt fünf große Vorschläge für das erste Jahr, die darauf abzielten, diese Fragen zu beantworten, indem sie sich eingehend mit bedeutenden Regionen des extragalaktischen Universums befassten. Zwei davon, Panoramic und COSMOS-Web, haben noch keine Ergebnisse veröffentlicht. Zwei weitere, GLASS und CEERS, haben viele ultraferne Galaxien gefunden, darunter Beispiele von Galaxien, die den früheren Hubble-Aufzeichnungsdatensatz von GN-z11 übertrafen: eine Galaxie, deren Licht nur 400 Millionen Jahre nach dem Urknall zu uns kam.

Aber eine der interessantesten Regionen im All ist das Ergebnis der Umfrage, die uns den aktuellen kosmischen Rekordhalter für Entfernungen bescherte (ein Rekord, der sicherlich bis Ende 2023 gebrochen wird): JADES. Es steht für JWST Advanced Deep Extragalactic Survey und vereint insgesamt 770 Stunden NIRCam-, MIRI- und NIRSpec-Bildgebung auf einer Gesamtfläche von 125 Quadratbogenminuten: knapp ein Millionstel (0,0001 %) des gesamten Nachthimmels. Aber diese Himmelsregion umfasste zwei der am wichtigsten abgebildeten Regionen in der Geschichte: das ursprüngliche Hubble Deep Field und die Hubble Ultra und eXtreme Deep Fields.

In diesen Regionen des Weltraums gab es zuvor einige von Hubble identifizierte Kandidaten für extrem weit entfernte Galaxien: etwa 40 Kandidaten, die aus den ersten 650 Millionen Jahren der kosmischen Geschichte stammten, darunter etwa 4 aus den ersten 500 Millionen Jahren. Das Problem ist, dass es sich nur um Galaxienkandidaten handelt: Wir identifizieren Galaxienkandidaten, indem wir ihr Licht betrachten, aber die einzige Möglichkeit, sicher zu sein, dass es sich bei diesen Galaxienkandidaten wirklich um Galaxien in den tatsächlichen Entfernungen handelt, in denen sie sich unserer Meinung nach befinden, ist die Durchführung von Spektroskopie: um Brechen Sie ihr Licht in alle verschiedenen Wellenlängen auf, aus denen es besteht, und identifizieren Sie, wo bestimmte spezifische Merkmale auftreten. Nur durch Spektroskopie können wir einen Galaxienkandidaten in den Status einer „bestätigten Galaxie“ befördern.

Die zugrunde liegende Wissenschaft ist wie folgt. Wenn Sie eine Galaxie mithilfe der Photometrie abbilden, der Standardmethode zum Sammeln von Licht über eine Reihe von Wellenlängenbereichen, wissen Sie, wie dieses Licht verteilt wird, je nachdem, ob diese Galaxie hauptsächlich aus jungen Sternen besteht, einer Mischung aus jungen und alten Sternen , oder vor allem ältere Sterne. (Im Spätzeituniversum gibt es alle Arten von Galaxien, aber schon früh gehen wir davon aus, dass Galaxien hauptsächlich aus jungen Sternen bestehen.) Unterhalb einer bestimmten Wellenlänge – der ultravioletten Grenze, an der Elektronen in den Grundzustand eines Atoms übergehen – wissen Sie dass kein Licht ankommt, während Sie bei längeren Wellenlängen viel Licht sehen sollten.

Dieser Übergangspunkt ist entscheidend und wird bei Galaxien als „Lyman-Bruch“ bezeichnet: Hier erfolgt der Übergang in den n=1-Zustand von Wasserstoff (wenn Sie sich an die Lyman-Reihe erinnern). Wenn sich das Universum ausdehnt, dehnt sich die Wellenlänge dieses Lyman-Bruchs aus. Wenn Sie also für JWST kein Licht bei kurzen Wellenlängen, aber viel Licht bei längeren Wellenlängen sehen, haben Sie einen hervorragenden Kandidaten für eine ultraentfernte Galaxie.

Aber um sicherzustellen, dass:

Sie müssen eine spektroskopische Nachuntersuchung durchführen.

Die Photometrie ist relativ einfach durchzuführen; Sie können es für Tausende von Objekten gleichzeitig mit denselben Beobachtungssätzen durchführen. Spektroskopie hingegen ist teuer: Man muss pro Objekt viel länger beobachten, um die nötige Lichtmenge zu erhalten, um zu bestimmen, wie viel Licht bei den einzelnen Wellenlängen vorhanden ist.

Der Nutzen ist jedoch enorm: Anstatt die Schlüsseleigenschaften Ihrer Galaxie abzuschätzen, z. B. wie weit sie entfernt ist, wie stark ihr Licht gestreckt ist und wie stark ihre Wasserstoff-, Sauerstoff- und anderen Elementarsignaturen sind, können Sie sie direkt messen.

Das ist das Bemerkenswerte und Leistungsfähige an JADES und anderen mit JWST durchgeführten Durchmusterungen: Mit einem Instrument wie NIRCam können Sie einen großen Bereich des Himmels betrachten und so relativ einfach photometrische Schätzungen für die Eigenschaften einer Galaxie erhalten. Anschließend können Sie die interessantesten Objekte, die Sie fotometrisch identifiziert haben, auswählen, um spektroskopische Folgebeobachtungen durchzuführen, beispielsweise mit dem NIRSpec-Instrument. Wir wissen im Allgemeinen, wie unser Universum, das derzeit 13,8 Milliarden Jahre alt ist, heute aussieht. Aber diese ersten paar hundert Millionen Jahre – die ersten 5 % unserer kosmischen Geschichte – bleiben das große Fragezeichen, auf das JWST uns hoffentlich Antworten geben kann.

Nun, JADES hat gerade auf dem 242. Treffen der American Astronomical Society einige der bemerkenswertesten wissenschaftlichen Erkenntnisse angekündigt, die wir uns nur wünschen konnten. Zunächst einmal identifizierten sie in ihrem 125 Quadratbogenminuten umfassenden Beobachtungsbereich satte 717 Galaxienkandidaten aus den ersten 5 % unserer kosmischen Geschichte: eine unglaubliche Verbesserung gegenüber den „ungefähr 40“, die Hubble zuvor gesehen hatte. Tatsächlich waren von diesen 717 Kandidaten, die photometrisch identifiziert wurden, satte 93 % noch nie zuvor gesehen worden – weder von Hubble noch von irgendeinem anderen Observatorium – was für uns ein Hinweis darauf ist, dass sie nur aufgrund der beispiellosen Fähigkeiten von entdeckt wurden das JWST-Observatorium.

Aber die Geschichte wird noch besser. Von diesen 717 Galaxienkandidaten wurden 42 einer spektroskopischen Nachuntersuchung unterzogen. Als die Spektren eintrafen, wurde bestätigt, dass unglaubliche 41 von 42 die durch Photometrie vorgeschlagene Kombination aus Rotverschiebung und Entfernung erreichten oder nahezu erreichten. Noch bemerkenswerter war Folgendes: Es stellte sich heraus, dass es sich bei dem nicht bestätigten Objekt tatsächlich um zwei direkt übereinander liegende Objekte handelte: eines in der Nähe und eines viel weiter entfernt. Wenn das Licht des nahegelegenen Objekts („nur“ etwa 11 Milliarden Lichtjahre entfernt) herausgezogen wurde, stimmte auch das 42. Objekt – das weiter entfernte – genau mit den photometrischen Daten überein. 42 Spektren gesammelt, 42 bestätigte ultraferne Galaxien. Es ist schwer, es besser zu machen.

Und das ist erst der Anfang. Die am weitesten spektroskopisch bestätigte Galaxie ist als JADES-GS-z13-0 bekannt und ihr Licht kommt nur 320 Millionen Jahre nach Beginn des heißen Urknalls zu uns. Allein im JADES-Sichtfeld gibt es 17 weitere Galaxienkandidaten – die alle noch keine Spektren haben –, die größere photometrisch abgeleitete Entfernungen haben als der aktuelle kosmische Rekordhalter. Darüber hinaus wird COSMOS-Web, dessen Daten noch nicht veröffentlicht sind (und von denen bis Juni 2023 noch etwa 50 % erfasst werden müssen), einen viel größeren Bereich am Himmel vermessen, als JADES es jemals tun wird.

Aber aufgrund der kombinierten Wirkung der beispiellosen Größe und Auflösungskraft von JWST können wir durch die Betrachtung dieser Galaxien enorm viel über das Universum lernen; Sie sind für JWST nicht einfach nur „Punkte“ oder „Flecken“, wie sie es für ein Observatorium wie Hubble waren.

Diese Galaxien offenbaren große Ausbrüche der Sternentstehung in ihrem Inneren. Die heißen, massereichen Sterne, die bei diesen Ausbrüchen entstehen, tragen enorm zum Prozess der kosmischen Reionisierung bei: Dabei werden die neutralen Atome im intergalaktischen Medium dank ultravioletter Photonen reionisiert. Die Emissionslinien innerhalb dieser Galaxien sind extrem stark. Und schließlich gibt es diese Galaxien in einer enormen Größenvielfalt, von nur wenigen Hundert Lichtjahren bis zu Zehntausenden von Lichtjahren Breite, was zeigt, dass viele Objekte in unserem Universum schnell gewachsen sind: vielleicht schneller als viele Astronomen erwartet.

Wir sind weit genug gekommen, um die Entstehung unseres Universums in groben Zügen zusammenzustellen, und es sieht nach einer Geschichte aus, die jahrzehntelange zusätzliche Forschung erfordern wird, um alle Teile solide zusammenzufügen.

Die gesamte JWST-Wissenschaft, die wir in unser Wissen integrieren, ist insgesamt weniger als ein ganzes Kalenderjahr alt. Da immer mehr Daten vom Teleskop einströmen und verschiedene Teams, die unterschiedliche Beobachtungsschemata verwenden, ihre Ergebnisse veröffentlichen, werden wir lernen, wie wir JWST noch effizienter und effektiver nutzen können. Es ist der wunderbare Fall, dass die gesamte Gemeinschaft davon profitiert, wenn wir etwas Neues lernen. Mit einer erwarteten Lebensdauer, die bis weit in die 2040er Jahre reichen wird, erwarten wir Jahrzehnte neuer Wissenschaft, neuer Entdeckungen und eines neuen Verständnisses darüber, wie das Universum entstanden ist, dem wir mit großem Optimismus entgegensehen.