Astronomen finden die entfernteste Galaxie mit dem James Webb Weltraumteleskop

30. Mai 2024

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Von Peter Edmonds, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Ein internationales Team von Astronomen hat heute die Entdeckung der beiden frühsten und entferntesten Galaxien, die jemals gesehen wurden, angekündigt, die nur 300 Millionen Jahre nach dem Urknall datiert sind. Diese Ergebnisse, die mit dem James Webb Weltraumteleskop (JWST) der NASA erzielt wurden, markieren einen wichtigen Meilenstein in der Erforschung des frühen Universums.

Die Entdeckungen wurden vom JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) Team gemacht. Daniel Eisenstein vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) ist einer der Teamleiter von JADES und Principal Investigator des Beobachtungsprogramms, das diese Galaxien offenbarte. Ben Johnson und Phillip Cargile, beide Forschungswissenschaftler am CfA, und Zihao Wu, ein Harvard Ph.D. Student am CfA, spielten ebenfalls wichtige Rollen.

Aufgrund der Ausdehnung des Universums dehnt sich das Licht von weit entfernten Galaxien zu längeren Wellenlängen, während es reist. Dieser Effekt ist bei diesen beiden Galaxien so extrem, dass ihr ultraviolettes Licht in infrarote Wellenlängen verschoben wird, wo es nur das JWST sehen kann. Da Licht Zeit zum Reisen benötigt, werden weiter entfernte Galaxien auch so gesehen, wie sie früher in der Zeit waren.

Die beiden Rekord brechenden Galaxien heißen JADES-GS-z14-0 und JADES-GS-z14-1, wobei erstere die weiter entfernte der beiden ist. Neben der Tatsache, dass sie den neuen Distanzrekord hält, zeichnet sich JADES-GS-z14-0 durch ihre Größe und Helligkeit aus.

'Die Größe der Galaxie beweist eindeutig, dass der größte Teil des Lichts von vielen jungen Sternen erzeugt wird', sagte Eisenstein, ein Harvard-Professor und Vorsitzender der Astrophysik-Abteilung, 'anstatt von Material, das auf ein supermassives Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie fällt, was viel kleiner erscheinen würde.'

Die Kombination aus der extremen Helligkeit und der Tatsache, dass junge Sterne diese hohe Leuchtkraft erzeugen, macht JADES-GS-z14-0 zum bisher deutlichsten Beweis für die schnelle Entstehung großer, massiver Galaxien im frühen Universum.

'JADES-GS-z14-0 wird nun zum Prototyp dieses Phänomens', sagt Dr. Stefano Carniani von der Scuola Normale Superiore in Pisa, Hauptautor der Entdeckungsarbeit. 'Es ist erstaunlich, dass das Universum in nur 300 Millionen Jahren eine solche Galaxie hervorbringen kann.'

Beweise für überraschend kräftige frühe Galaxien zeigten sich sogar auf den ersten JWST-Bildern und haben sich in den ersten beiden Jahren der Mission gehäuft. Dieser Trend widerspricht den Erwartungen, die die meisten Astronomen vor dem Start von JWST an Theorien der Galaxienbildung hatten.

JADES-GS-z14-0 war ein Rätsel für das JADES-Team, als sie es vor über einem Jahr zum ersten Mal entdeckten, da es auf dem Himmel nahe genug an einer Vordergrundgalaxie liegt, dass das Team nicht sicher sein konnte, dass die beiden nicht Nachbarn sind. Aber im Oktober 2023 führte das JADES-Team eine noch tiefere Bildgebung durch - fünf volle Tage mit der JWST Near-Infrared Camera auf nur einem Feld - und verwendete Filter, die dazu bestimmt sind, die frühesten Galaxien besser zu isolieren.

'Wir konnten einfach keine plausible Erklärung dafür finden, wie diese Galaxie nur eine Nachbarin der näher gelegenen Galaxie sein könnte', sagt Dr. Kevin Hainline, Forschungsprofessor an der University of Arizona.

Die Galaxie befindet sich in einem Feld, in dem das JWST Mid-Infrared Instrument eine ultra-tiefe Beobachtung durchgeführt hatte. Ihre Helligkeit bei mittleren Infrarotwellenlängen ist ein Zeichen für die Emission von Wasserstoff- und sogar Sauerstoffatomen im frühen Universum.

'Obwohl sie so jung ist, arbeitet die Galaxie bereits hart daran, die Elemente zu schaffen, die uns auf der Erde vertraut sind', sagte Zihao Wu, ein Mitautor einer zweiten Arbeit zu dieser Entdeckung, die von Jakob Helton, einem Doktoranden an der University of Arizona, geleitet wurde.

Ermutigt durch diese Erkenntnisse erhielt das Team dann ein Spektrum jeder Galaxie und bestätigte ihre Hoffnungen, dass JADES-GS-z14-0 tatsächlich eine rekordverdächtige Galaxie war und dass die schwächere Kandidatin, JADES-GS-z14-1, fast genauso weit entfernt war.

Eine dritte Arbeit, die von Brant Robertson, Professor an der University of California-Santa Cruz, und Ben Johnson geleitet wurde, untersucht die Evolution dieser frühen Population von Galaxien.

'Dieses erstaunliche Objekt zeigt, dass die Galaxienbildung im frühen Universum sehr schnell und intensiv ist', sagte Johnson, 'und JWST wird es uns ermöglichen, mehr von diesen Galaxien zu finden, vielleicht als das Universum noch jünger war. Es ist eine wunderbare Gelegenheit, zu studieren, wie Galaxien entstehen.'

Alle drei Arbeiten sind derzeit auf dem arXiv-Vorabdruck-Server verfügbar.

Weitere Informationen: Ein leuchtender kosmischer Morgen: Spektroskopische Bestätigung von zwei leuchtenden Galaxien bei z∼14, arXiv:2405.18485 [astro-ph.GA]

JWST/MIRI photometric detection at 7.7 μm of the stellar continuum and nebular emission in a galaxy at z>14, arXiv:2405.18462 [astro-ph.GA] arxiv.org/abs/2405.18462

Journal information: arXiv

Provided by Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics