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May 26, 2023

Das Webb-Weltraumteleskop zeigt das frühe Universum voller Sternentstehungsausbrüche

Von Space Telescope Science Institute, 6. Juni 2023 Der James-Webb-Weltraum

Von Space Telescope Science Institute, 6. Juni 2023

Das JADES-Programm des James Webb-Weltraumteleskops liefert beispiellose Einblicke in das frühe Universum, entdeckt Hunderte von alten Galaxien und enthüllt komplexe Muster der Sternentstehung. Die Studie weist darauf hin, dass junge, heiße Sterne in frühen Galaxien möglicherweise den Übergang des Universums von undurchsichtig zu transparent während der Reionisierungsepoche vorantreiben. Darüber hinaus hat JADES durch die Analyse der Rotverschiebung fast tausend extrem weit entfernte Galaxien entdeckt, was frühere Vorhersagen in Frage stellt und die Komplexität des frühen Universums offenbart.

With its large, light-gathering mirror and infrared sensitivity, NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA's James Webb Space TelescopeThe James Webb Space Telescope (JWST or Webb) is an orbiting infrared observatory that will complement and extend the discoveries of the Hubble Space Telescope. It covers longer wavelengths of light, with greatly improved sensitivity, allowing it to see inside dust clouds where stars and planetary systems are forming today as well as looking further back in time to observe the first galaxies that formed in the early universe." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) eignet sich hervorragend zur Untersuchung von Galaxien, die im frühen Universum, nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall, existierten. Etwas mehr als einen ganzen Monat von Webbs Beobachtungszeit ist dem JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) gewidmet. JADES wird tief in das Universum blicken, um einige der schwächsten und am weitesten entfernten Galaxien zu untersuchen. Zu den ersten Erkenntnissen des Programms gehören: Hunderte von Galaxien, die existierten, als das Universum weniger als 600 Millionen Jahre alt war, und Galaxien, die wiederholt Sternbildungsschübe erlebten.

Dieses Infrarotbild vom James Webb Space Telescope (JWST) der NASA wurde für das JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)-Programm aufgenommen. Es zeigt einen Teil eines als GOODS-South bekannten Himmelsbereichs, der vom Hubble-Weltraumteleskop und anderen Observatorien gut untersucht wurde. Mehr als 45.000 Galaxien sind hier sichtbar. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (Universität von Arizona), Daniel Eisenstein (CfA), Alyssa Pagan (STScI)

Zu den grundlegendsten Fragen der Astronomie gehört: Wie entstanden die ersten Sterne und Galaxien? Das James Webb-Weltraumteleskop der NASA liefert bereits neue Erkenntnisse zu dieser Frage. Eines der größten Programme in Webbs erstem Wissenschaftsjahr ist der JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), der etwa 32 Tage Teleskopzeit aufwenden wird, um schwache, entfernte Galaxien aufzudecken und zu charakterisieren. 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 außerdem Galaxien identifiziert, in denen eine Vielzahl junger, heißer Sterne glitzern.

„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?“ sagte 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 von Galaxien, die 500 bis 850 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten. Dies war eine entscheidende Zeit, die als Epoche der Reionisierung bekannt ist. Hunderte Millionen Jahre nach dem Urknall war das Universum mit einem gasförmigen Nebel gefüllt, der es für energiereiches Licht undurchlässig machte. Eine Milliarde Jahre nach dem Urknall hatte sich der Nebel lichtet und das Universum wurde transparent, ein Prozess, der als Reionisierung bekannt ist. Wissenschaftler haben darüber diskutiert, ob aktive, supermassereiche Schwarze Löcher oder Galaxien voller heißer, junger Sterne die Hauptursache für die Reionisierung sind.

Im Rahmen des JADES-Programms untersuchten Endsley und seine Kollegen diese Galaxien, um nach Anzeichen für die Sternentstehung zu suchen – und fanden sie in Hülle und Fülle. „Fast jede einzelne Galaxie, die wir finden, weist diese ungewöhnlich starken Emissionsliniensignaturen auf, die auf eine intensive Sternentstehung in jüngster Zeit hinweisen. Diese frühen Galaxien waren sehr gut darin, heiße, massereiche Sterne zu erzeugen“, sagte Endsley.

Dieses Bild des GOODS-South-Feldes, aufgenommen mit Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera), zeigt Kompasspfeile, Maßstabsleiste und Farbschlüssel als Referenz. Die Nord- und Ost-Kompasspfeile zeigen die Ausrichtung des Bildes am Himmel. Beachten Sie, dass die Beziehung zwischen Norden und Osten am Himmel (von unten gesehen) relativ zu den Richtungspfeilen auf einer Karte des Bodens (von oben gesehen) umgekehrt ist. Der Maßstabsbalken ist mit 50 Bogensekunden beschriftet.Quelle: NASA, ESA, CSA, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (University of Arizona), Daniel Eisenstein (CfA), Alyssa Pagan (STScI)

Diese hellen, massereichen Sterne stießen Ströme ultravioletten Lichts aus, das das umgebende Gas von undurchsichtig in transparent umwandelte, indem es die Atome ionisierte und Elektronen aus ihren Kernen entfernte. Da diese frühen Galaxien über eine so große Population heißer, massereicher Sterne verfügten, könnten sie die Hauptursache für den Reionisierungsprozess gewesen sein. Durch die spätere Wiedervereinigung der Elektronen und Kerne entstehen die markant starken Emissionslinien.

Endsley und seine Kollegen fanden auch Hinweise darauf, dass diese jungen Galaxien Phasen schneller Sternentstehung durchliefen, die von ruhigen Phasen unterbrochen waren, in denen sich weniger Sterne bildeten. Diese Anfälle und Starts könnten aufgetreten sein, als Galaxien Klumpen gasförmiger Rohstoffe einfingen, die zur Sternentstehung benötigt werden. Da massereiche Sterne jedoch schnell explodieren, haben sie möglicherweise in regelmäßigen Abständen Energie in die Umgebung injiziert und so die Kondensation von Gas zur Bildung neuer Sterne verhindert.

Ein weiterer Bestandteil des JADES-Programms ist die Suche nach den frühesten Galaxien, die existierten, als das Universum weniger als 400 Millionen Jahre alt war. 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. Vor Webb wurden nur ein paar Dutzend Galaxien oberhalb einer Rotverschiebung von 8 beobachtet, als das Universum jünger als 650 Millionen Jahre war, doch JADES hat mittlerweile fast tausend dieser extrem weit entfernten Galaxien entdeckt.

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 eine Galaxie mit Filtern fotografiert, die jeweils ein schmales Farbband abdecken, um eine Handvoll Helligkeitsmessungen zu erhalten. Auf diese Weise können Forscher Schätzungen für die Entfernungen von vielen Tausend Galaxien auf einmal ermitteln.

Kevin Hainline von der University of Arizona in Tucson und seine Kollegen verwendeten Webbs NIRCam-Instrument (Near-Infrared Camera), um diese Messungen, sogenannte photometrische Rotverschiebungen, zu erhalten und identifizierten mehr als 700 Kandidatengalaxien, die existierten, als das Universum zwischen 370 und 650 Millionen groß war Jahre alt. Die schiere Anzahl dieser Galaxien übertraf die Vorhersagen aus Beobachtungen, die vor Webbs Start gemacht wurden, bei weitem. Die hervorragende Auflösung und Empfindlichkeit des Observatoriums ermöglichen es Astronomen, diese fernen Galaxien besser zu sehen als je zuvor.

„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“, sagte 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.“

„Wir stellen fest, dass die Sternentstehung im frühen Universum viel komplizierter ist, als wir dachten“, fügte Rieke hinzu.

Diese Ergebnisse werden auf der 242. Tagung der American Astronomical Society in Albuquerque, New Mexico, vorgestellt.

The James Webb Space Telescope is the world's premier space science observatory. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space AgencyThe European Space Agency (ESA) is an intergovernmental organization dedicated to the exploration and study of space. ESA was established in 1975 and has 22 member states, with its headquarters located in Paris, France. ESA is responsible for the development and coordination of Europe's space activities, including the design, construction, and launch of spacecraft and satellites for scientific research and Earth observation. Some of ESA's flagship missions have included the Rosetta mission to study a comet, the Gaia mission to create a 3D map of the Milky Way, and the ExoMars mission to search for evidence of past or present life on Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).