Webb beobachtet Galaxie im lichtenden Nebel des frühen Universum

Mit­hil­fe der ein­zig­ar­ti­gen Infra­rotem­pfind­lich­keit des James-Webb-Welt­raum­te­le­skops von NASA/ESA/CSA kön­nen For­scher alte Gala­xien unter­su­chen, um Geheim­nis­se des frü­hen Uni­ver­sums zu ergrün­den. Nun hat ein inter­na­tio­na­les Team von Astro­no­men zu einem uner­war­tet frü­hen Zeit­punkt in der Geschich­te des Uni­ver­sums hel­le Was­ser­stoff­emis­sio­nen einer Gala­xie iden­ti­fi­ziert. Der über­ra­schen­de Fund stellt die For­scher vor die Her­aus­for­de­rung zu erklä­ren, wie die­ses Licht den dich­ten Nebel aus neu­tra­lem Was­ser­stoff durch­drin­gen konn­te, der damals den Welt­raum erfüllte.

Ein wich­ti­ges wis­sen­schaft­li­ches Ziel des James-Webb-Welt­raum­te­le­skops der NASA/ESA/CSA war es, wei­ter als je zuvor in die fer­ne Ver­gan­gen­heit unse­res Uni­ver­sums zu bli­cken, als sich die ers­ten Gala­xien nach dem Urknall bil­de­ten. Die­se Suche hat bereits rekord­ver­däch­ti­ge Gala­xien in Beob­ach­tungs­pro­gram­men wie dem JWST Advan­ced Deep Extra­ga­lac­tic Sur­vey (JADES) her­vor­ge­bracht. Die außer­ge­wöhn­li­che Emp­find­lich­keit von Webb für infra­rotes Licht eröff­net auch völ­lig neue Wege zur Erfor­schung der Fra­ge, wann und wie sich sol­che Gala­xien gebil­det haben und wel­che Aus­wir­kun­gen sie auf das Uni­ver­sum zu der Zeit hat­ten, die als kos­mi­sche Mor­gen­däm­me­rung bekannt ist. For­scher, die eine die­ser sehr frü­hen Gala­xien unter­su­chen, haben nun eine Ent­de­ckung im Spek­trum ihres Lichts gemacht, die unser bis­he­ri­ges Ver­ständ­nis der frü­hen Geschich­te des Uni­ver­sums in Fra­ge stellt.

Webb ent­deck­te die unglaub­lich weit ent­fern­te Gala­xie JADES-GS-z13‑1, die nur 330 Mil­lio­nen Jah­re nach dem Urknall beob­ach­tet wur­de, auf Bil­dern, die von Webbs NIR­Cam (Nahin­fra­rot­ka­me­ra) als Teil des JADES-Pro­gramms auf­ge­nom­men wur­den. Die For­scher nutz­ten die Hel­lig­keit der Gala­xie in ver­schie­de­nen Infra­rot­fil­tern, um ihre Rot­ver­schie­bung abzu­schät­zen. Die­se misst die Ent­fer­nung einer Gala­xie von der Erde anhand der Stre­ckung ihres Lichts wäh­rend ihrer Rei­se durch den expan­die­ren­den Weltraum.

Die NIR­Cam-Auf­nah­men erga­ben eine ers­te Rot­ver­schie­bungs­schät­zung von 12,9. Um die extre­me Rot­ver­schie­bung zu bestä­ti­gen, beob­ach­te­te ein inter­na­tio­na­les Team unter der Lei­tung von Jor­is Wit­s­tok von der Uni­ver­si­tät Cam­bridge (Groß­bri­tan­ni­en) sowie dem Cos­mic Dawn Cen­ter und der Uni­ver­si­tät Kopen­ha­gen (Däne­mark) die Gala­xie mit dem Nahin­fra­rot-Spek­tro­gra­phen (NIR­Spec) von Webb.

In dem dar­aus resul­tie­ren­den Spek­trum wur­de eine Rot­ver­schie­bung von 13,0 bestä­tigt. Dies ent­spricht einer Gala­xie, die nur 330 Mil­lio­nen Jah­re nach dem Urknall ent­stan­den ist, was nur einen Bruch­teil des der­zei­ti­gen Alters des Uni­ver­sums von 13,8 Mil­li­ar­den Jah­ren aus­macht. Aber es gab auch eine uner­war­te­te Beson­der­heit: eine bestimm­te, beson­ders hel­le Wel­len­län­ge des Lichts, die als Lyman-α-Emis­si­on von Was­ser­stoff­ato­men iden­ti­fi­ziert wur­de[1] und viel stär­ker war, als die Astro­no­men in die­sem frü­hen Sta­di­um der Ent­wick­lung des Uni­ver­sums für mög­lich hielten.

„Das frü­he Uni­ver­sum war in einen dich­ten Nebel aus neu­tra­lem Was­ser­stoff gehüllt“ , erklär­te Rober­to Mai­o­li­no, ein Team­mit­glied der Uni­ver­si­ty of Cam­bridge und des Uni­ver­si­ty Col­lege Lon­don. „Der größ­te Teil die­ses Nebels lich­te­te sich in einem Pro­zess namens Reio­ni­sa­ti­on, der etwa eine Mil­li­ar­de Jah­re nach dem Urknall abge­schlos­sen war. GS-z13‑1 war sicht­bar, als das Uni­ver­sum erst 330 Mil­lio­nen Jah­re alt war, zeigt jedoch eine über­ra­schend kla­re, ver­rä­te­ri­sche Signa­tur der Lyman-α-Strah­lung, die erst sicht­bar wird, wenn sich der umge­ben­de Nebel voll­stän­dig auf­ge­löst hat. Die­ses Ergeb­nis war für Theo­rien zur frü­hen Gala­xien­ent­ste­hung völ­lig uner­war­tet und hat die Astro­no­men überrascht.“

Vor und wäh­rend der Epo­che der Reio­ni­sie­rung [2] blo­ckier­ten die immensen Men­gen an neu­tra­lem Was­ser­stoff­gas, der die Gala­xien umgab, jeg­li­ches ener­gie­rei­che ultra­vio­let­te Licht, das sie aus­sen­de­ten, ähn­lich der Fil­ter­wir­kung von far­bi­gem Glas. Bis sich genü­gend Ster­ne gebil­det hat­ten und das Was­ser­stoff­gas ioni­sie­ren konn­ten, konn­te kein Licht – ein­schließ­lich der Lyman-α-Strah­lung – aus die­sen jun­gen Gala­xien ent­wei­chen und die Erde errei­chen. Die Bestä­ti­gung der Lyman-α-Strah­lung aus die­ser Gala­xie hat daher gro­ße Aus­wir­kun­gen auf unser Ver­ständ­nis des frü­hen Uni­ver­sums. Team­mit­glied Kevin Hain­line von der Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na in den USA sagt: „Ange­sichts unse­res Wis­sens über die Ent­wick­lung des Uni­ver­sums hät­ten wir eine sol­che Gala­xie eigent­lich nicht fin­den dür­fen. Man könn­te sich das frü­he Uni­ver­sum als von dich­tem Nebel umhüllt vor­stel­len, der es selbst star­ken Leucht­tür­men äußerst schwer machen wür­de, hin­durch­zu­schau­en. Doch hier sehen wir den Licht­strahl die­ser Gala­xie, der den Schlei­er durch­dringt. Die­se fas­zi­nie­ren­de Emis­si­ons­li­nie hat enor­me Aus­wir­kun­gen dar­auf, wie und wann das Uni­ver­sum reio­ni­siert hat.“

Die Quel­le der Lyman-α-Strah­lung die­ser Gala­xie ist noch nicht bekannt, aber es könn­te sich um das ers­te Licht der frü­hes­ten Gene­ra­ti­on von Ster­nen han­deln, die im Uni­ver­sum ent­stan­den sind. Wit­s­tok führt wei­ter aus: „Die gro­ße Bla­se aus ioni­sier­tem Was­ser­stoff, die die­se Gala­xie umgibt, könn­te durch eine beson­de­re Popu­la­ti­on von Ster­nen ent­stan­den sein – viel mas­se­rei­cher, hei­ßer und leucht­kräf­ti­ger als Ster­ne, die in spä­te­ren Epo­chen ent­stan­den sind, und mög­li­cher­wei­se reprä­sen­ta­tiv für die ers­te Gene­ra­ti­on von Ster­nen.“ Eine wei­te­re Mög­lich­keit, die das Team iden­ti­fi­ziert hat, ist ein star­ker akti­ver galak­ti­scher Kern (AGN) [3], der von einem der ers­ten super­mas­se­rei­chen schwar­zen Löcher ange­trie­ben wird.

Die neu­en Ergeb­nis­se wären ohne die unglaub­li­che Nahin­fra­rotem­pfind­lich­keit von Webb nicht mög­lich gewe­sen, die nicht nur für die Ent­de­ckung so weit ent­fern­ter Gala­xien, son­dern auch für die detail­lier­te Unter­su­chung ihrer Spek­tren erfor­der­lich ist. Der ehe­ma­li­ge NIR­Spec-Pro­jekt­wis­sen­schaft­ler Peter Jakobsen vom Cos­mic Dawn Cen­ter und der Uni­ver­si­tät Kopen­ha­gen in Däne­mark erin­nert sich: „Nach dem Vor­bild des Hub­ble-Welt­raum­te­le­skops war klar, dass Webb immer wei­ter ent­fern­te Gala­xien ent­de­cken könn­te. Wie der Fall von GS-z13‑1 zeigt, blieb es jedoch stets eine Über­ra­schung, was es über die Natur der ent­ste­hen­den Ster­ne und Schwar­zen Löcher ver­ra­ten wür­de, die am Ran­de der kos­mi­schen Zeit entstehen.“

Das Team plant wei­te­re Fol­ge­be­ob­ach­tun­gen von GS-z13‑1 mit dem Ziel, mehr Infor­ma­tio­nen über die Natur die­ser Gala­xie und den Ursprung ihrer star­ken Lyman-α-Strah­lung zu erhal­ten. Was auch immer die Gala­xie ver­birgt, sie wird mit Sicher­heit eine neue Gren­ze in der Kos­mo­lo­gie beleuchten.

Die­se neue For­schungs­ar­beit wur­de aktu­ell in Natu­re ver­öf­fent­licht. Die Daten für die­ses Ergeb­nis wur­den im Rah­men von JADES unter den JWST-Pro­gram­men #1180 (PI: D. J. Eisen­stein), #1210, #1286 und #1287 (PI: N. Luetz­gen­dorf) und dem JADES Ori­gin Field-Pro­gramm #3215 (PIs: Eisen­stein und R. Mai­o­li­no) aufgenommen.

Endnoten

[1] Der Name kommt von der Tat­sa­che, dass ein Was­ser­stoff­atom Licht einer cha­rak­te­ris­ti­schen Wel­len­län­ge aus­sen­det, die als „Lyman-Alpha“-Strahlung bekannt ist. Die­se ent­steht, wenn sein Elek­tron von der zweit­nied­rigs­ten auf die nied­rigs­te Umlauf­bahn um den Kern (Ener­gie­ni­veau) fällt.

[2] Die Epo­che der Reio­ni­sa­ti­on war ein sehr frü­hes Sta­di­um in der Geschich­te des Uni­ver­sums, das nach der Rekom­bi­na­ti­on (dem ers­ten Sta­di­um nach dem Urknall) statt­fand. Wäh­rend der Rekom­bi­na­ti­on kühl­te das Uni­ver­sum so weit ab, dass Elek­tro­nen und Pro­to­nen began­nen, sich zu neu­tra­len Was­ser­stoff­ato­men zu ver­bin­den. Die Reio­ni­sie­rung begann, als sich dich­te­re Gas­wol­ken zu bil­den began­nen, wodurch Ster­ne und schließ­lich gan­ze Gala­xien ent­stan­den. Sie pro­du­zier­ten gro­ße Men­gen ultra­vio­let­ter Pho­to­nen, die das Was­ser­stoff­gas all­mäh­lich reio­ni­sier­ten. Da neu­tra­les Was­ser­stoff­gas für ener­gie­rei­ches ultra­vio­let­tes Licht undurch­läs­sig ist, kön­nen wir Gala­xien wäh­rend die­ser Epo­che nur bei län­ge­ren Wel­len­län­gen sehen, bis sie eine „Bla­se“ aus ioni­sier­tem Gas um sich her­um bil­den, sodass ihr ultra­vio­let­tes Licht durch die­se Bla­se ent­wei­chen und uns errei­chen kann.

[3] Ein akti­ver galak­ti­scher Kern ist eine Regi­on extrem star­ker Strah­lung im Zen­trum einer Gala­xie. Der Antrieb erfolgt durch eine Akkre­ti­ons­schei­be, die aus Mate­ri­al besteht, das ein zen­tra­les super­mas­se­rei­ches Schwar­zes Loch umkreist und in die­ses stürzt. Wäh­rend das Mate­ri­al um das Schwar­ze Loch kreist, stößt es zusam­men und erhitzt sich auf so extre­me Tem­pe­ra­tu­ren, dass es hoch­en­er­ge­ti­sche ultra­vio­let­te Strah­lung und sogar Rönt­gen­strah­len aus­sen­det, deren Hel­lig­keit mit der Hel­lig­keit der gesam­ten umge­ben­den Gala­xie kon­kur­rie­ren kann.

Hintergrundinformationen

Webb ist das größ­te und leis­tungs­stärks­te Tele­skop, das jemals ins All geschos­sen wur­de. Im Rah­men eines inter­na­tio­na­len Koope­ra­ti­ons­ab­kom­mens hat die ESA den Start des Tele­skops mit der Trä­ger­ra­ke­te Aria­ne 5 durch­ge­führt. In Zusam­men­ar­beit mit ihren Part­nern war die ESA für die Ent­wick­lung und Qua­li­fi­zie­rung der Aria­ne-5-Anpas­sun­gen für die Webb-Mis­si­on sowie für die Beschaf­fung des Start­ser­vices durch Aria­nespace ver­ant­wort­lich. Die ESA stell­te auch den Arbeits­spek­tro­gra­phen NIR­Spec und 50% des Instru­ments für das mitt­le­re Infra­rot (MIRI) zur Ver­fü­gung, das von einem Kon­sor­ti­um aus natio­nal finan­zier­ten euro­päi­schen Insti­tu­ten (dem MIRI Euro­pean Con­sor­ti­um) in Zusam­men­ar­beit mit dem JPL und der Uni­ver­si­tät von Ari­zo­na ent­wi­ckelt und gebaut wurde.

Webb ist eine inter­na­tio­na­le Part­ner­schaft zwi­schen der NASA, der ESA und der kana­di­schen Welt­raum­be­hör­de (CSA).

Bild­nach­weis: ESA/Webb, NASA, STScI, CSA, JADES Col­la­bo­ra­ti­on, Brant Robert­son (UC San­ta Cruz), Ben John­son (CfA), San­dro Tac­chel­la (Cam­bridge), Phill Car­gi­le (CfA), J. Wit­s­tok, P. Jakobsen, A. Pagan (STScI), M. Zama­ni (ESA/Webb)

Links

• Wis­sen­schaft­li­cher Arti­kel in Natu­re
• Ver­öf­fent­li­chung auf der ESA-Website
• Ver­öf­fent­li­chung auf der STScI-Website
• Ver­öf­fent­li­chung auf der NASA-Website

Link zur ESA-Pres­se­mit­tei­lung weic2505

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