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Wie die Daten des James-Webb-Weltraumteleskops bereits Überraschungen enthüllten

Massimo Pascale hatte nicht vor, den Galaxienhaufen SMACS 0723 zu untersuchen. Aber sobald er den Haufen auf dem ersten Bild des James Webb Space Telescope, kurz JWST, glitzern sah, konnten er und seine Kollegen nicht anders.

„Wir dachten, wir müssen etwas tun“, sagt Pascale, Astronomin an der University of California, Berkeley. „Wir können uns nicht davon abhalten, diese Daten zu analysieren. Es war so aufregend.“

Pascales Team ist eine von mehreren Gruppen von Wissenschaftlern, die die ersten JWST-Bilder sahen und sofort die Ärmel hochkrempelten. In den ersten Tagen, nachdem die Bilder und die zu ihrer Erstellung verwendeten Daten veröffentlicht wurden, haben Wissenschaftler die Masse des Haufens geschätzt, einen gewalttätigen Vorfall in der jüngeren Vergangenheit des Haufens aufgedeckt und das Alter der Sterne in Galaxien weit jenseits des Galaxienhaufens geschätzt Cluster selbst.

„Darauf haben wir uns lange vorbereitet. Ich selbst bereite mich seit Jahren darauf vor und bin noch nicht sehr alt“, sagt Pascale, die im vierten Jahr der Graduate School ist. JWST „wird wirklich eine neue Generation von Astronomen und eine neue Generation der Wissenschaft insgesamt definieren.“

Cluster-Kollision

Als das Bild von SMACS 0723 in einem Briefing im Weißen Haus am 11. Juli veröffentlicht wurde, richtete sich der Fokus hauptsächlich auf extrem weit entfernte Galaxien im Hintergrund (SN: 11.07.22). Aber genau in der Mitte des Bildes befindet sich SMACS 0723 selbst, ein viel näherer Galaxienhaufen, etwa 4,6 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Seine Masse beugt noch weiter entferntes Licht und lässt weiter entfernte Objekte vergrößert erscheinen, als ob ihr Licht durch die Linse eines anderen kosmischen Teleskops gewandert wäre.

Das Licht der entferntesten Galaxie in diesem Bild begann seine Reise zum JWST vor etwa 13,3 Milliarden Jahren – „fast zu Beginn des Universums“, sagt der Astrophysiker Guillaume Mahler von der Durham University in England, der das Bild bereits als Zoom verwendet Hintergrund.

Aber das Bild kann auch die Geschichte des dazwischenliegenden Galaxienhaufens selbst ausfüllen. „Das wird manchmal vergessen – der Galaxienhaufen ist auch sehr wichtig“, sagt Pascale.

Die Teams von Pascale und Mahler begannen jeweils mit einer Bestandsaufnahme der fernen Galaxien, die im Bild gestreckt und verzerrt erscheinen. Das Licht einiger dieser Galaxien ist so verzerrt, dass mehrere Bilder derselben Galaxie an verschiedenen Orten erscheinen. Die Kartierung dieser mehrfach abgebildeten Galaxien ist eine empfindliche Untersuchung der Art und Weise, wie Masse um den Haufen herum verteilt ist. Das wiederum kann zeigen, wo der Haufen dunkle Materie enthält, die unsichtbare, mysteriöse Substanz, die den Großteil der Masse im Universum ausmacht (SN: 10.09.20).

Beide Teams stellten fest, dass SMACS 0723 länglicher ist, als es in früheren Beobachtungen den Anschein hatte. Sie fanden auch ein schwaches Leuchten, das sogenannte Intracluster-Licht, innerhalb des Clusters von Sternen, die zu keiner bestimmten Galaxie gehören. Zusammengenommen deuten diese Merkmale darauf hin, dass sich SMACS 0723 immer noch von einem relativ kürzlichen Zusammenstoß mit einem anderen Galaxienhaufen erholt, berichten die Teams separat in zwei Papieren, die am 14. Juli bei arXiv.org eingereicht wurden.

Ein Galaxienhaufen, der seit Äonen für sich allein steht, sollte eine rundere Verteilung von Materie und Licht innerhalb des Haufens haben, anstatt die längliche Form von SMACS 0723. Die Sterne, die das Intracluster-Licht aussenden, wurden wahrscheinlich während der Kollision durch Gravitationskräfte aus ihren Heimatgalaxien gerissen.

„Zwei getrennte Cluster haben sich zusammengeschlossen, und es sieht für uns so aus, als ob es noch nicht ganz geklärt ist“, sagt Pascale. „Was wir vielleicht in Betracht ziehen, ist eine laufende Fusion.“

Drei Beispiele für mehrfach abgebildete Galaxien – markiert mit weißen, roten und gelben Pfeilen – tauchten aus dieser kleinen Region des ersten JWST-Bildes auf. Die Schwerkraft eines Galaxienhaufens im Vordergrund verzerrte das Licht dieser Galaxien und ließ sie an mindestens zwei Orten gleichzeitig erscheinen.Reproduziert von M. Pascale et al/arXiv.org 2022

Weit entfernte Galaxien

Die Kartierung der Masse im Haufen ist auch wichtig, um die Eigenschaften der weiter entfernten Galaxien im Hintergrund des Bildes zu entschlüsseln, sagt Mahler. „Man muss den Cluster und seine Vergrößerungskraft verstehen, um zu verstehen, was sich dahinter verbirgt.“

Einige Wissenschaftler untersuchen diese fernen Galaxien bereits im Detail. Die ersten JWST-Daten enthalten nicht nur schöne Bilder, sondern auch Spektren, Messungen darüber, wie viel Licht ein Objekt bei verschiedenen Wellenlängen aussendet. Mit Spektren können Wissenschaftler bestimmen, wie stark das Licht eines entfernten Objekts durch die Ausdehnung des Universums gestreckt – oder rotverschoben – wurde, was ein Indikator für seine Entfernung ist. Solche Daten können auch dabei helfen, die Zusammensetzung einer Galaxie und das Alter ihrer Sterne aufzudecken.

„Die Hauptsache, die das Studium der Sternentstehung in Galaxien einschränkt, ist die Qualität der Daten“, sagt der Astrophysiker Adam Carnall von der University of Edinburgh. Aber mit den erheblich verbesserten Daten von JWST, sagt er, konnten er und sein Team das Alter der Sterne in diesen fernen Galaxien messen.

Carnall und Kollegen richteten ihre Aufmerksamkeit nur wenige Tage nach der Veröffentlichung des SMACS-Bildes auf die Spektren der fernen Galaxien. Sie maßen die Rotverschiebungen von 10 Galaxien, von denen fünf besonders weit entfernt waren, berichtet das Team in einem Papier, das am 18. Juli bei arXiv.org eingereicht wurde. Eine wurde bereits als eine der entferntesten Galaxien hervorgehoben, die je gesehen wurde, mit Licht, das emittiert wurde nur 500 Millionen Jahre nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren. Die anderen vier leuchteten noch 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall.

Alle 10 Galaxien waren relativ jung, als sie das von JWST eingefangene Licht aussendeten, sagt Carnall. Sie alle hatten ihre Sternentstehung nur wenige Millionen Jahre zuvor eingeschaltet. Das ist nicht besonders überraschend, aber es ist interessant.

„Die Fähigkeit, diese kleinen, schwachen Galaxien zu betrachten … gibt einem ein Gefühl dafür, wie alle Galaxien aussehen müssen, wenn sie anfangen, Sterne zu bilden“, sagt Carnall.

Wissenschaftler hoffen, mit JWST die allerersten Fälle von Sternentstehung zu finden. Andere frühe Ergebnisse deuten darauf hin, dass sie sich bereits nähern.

Einige Galaxien in einem JWST-Bild eines anderen Haufens könnten aus einer noch früheren Zeit stammen, bereits 300 Millionen Jahre nach dem Urknall, berichten zwei Forschungsteams in zwei Papieren, die am 19. Juli bei arXiv.org eingereicht wurden. Eine dieser Galaxien scheint bereits eine spiralförmige Scheibe mit etwa einer Milliarde Sonnenmasse aufgebaut zu haben, die für eine so frühe Galaxie erstaunlich ausgereift ist.

Und eine Anzahl von Galaxien, die auf dem Bild von SMACS 0723 zu sehen sind, deutet darauf hin, dass Galaxien mit reifen Scheiben im sehr frühen Universum häufiger vorkamen als bisher angenommen, anstatt ungeordnete Blobs oder solche, die hauptsächlich aus dunkler Materie bestehen, berichtet ein anderes Team in an arXiv.org-Papier, eingereicht am 19. Juli. Das bedeutet, dass diese frühen Festplatten möglicherweise keine Ausreißer sind.

„Definitiv sind diese Galaxien eine große Sache, aber es bleibt abzuwarten, wie aufregend sie im Zusammenhang mit einigen Monaten Fortschritt mit JWST aussehen werden“, sagt Carnall. Das Beste kommt noch.

Explodierte Sterne, kollidierende Galaxien und wunderschöne Wolken sind auf den ersten Weltraumfotos zu sehen, die am 12. Juli vom James Webb Space Telescope veröffentlicht wurden.

Dieser Artikel wurde am 26. Juli aktualisiert, um klarzustellen, dass die Galaxie, deren Licht 13,3 Milliarden Jahre brauchte, um die Erde zu erreichen, eine der am weitesten entfernten bekannten Galaxien ist.

Autoren: Lisa Grossman von Sciencenews

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