Webb-Daten legen nahe, dass viele frühe Galaxien lang und dünn waren, nicht scheiben- oder kugelförmig.

17. Januar 2024

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Korrektur gelesen von der Columbia University

Forscher der Columbia University haben bei der Analyse von Bildern des James Webb Space Teleskops der NASA festgestellt, dass Galaxien im frühen Universum oft flach und länglich sind, wie Brotstangen, und selten rund, wie Pizzateigbälle.

"Etwa 50 bis 80% der von uns untersuchten Galaxien scheinen in zwei Dimensionen abgeflacht zu sein", erklärte Viraj Pandya, ein NASA Hubble Fellow an der Columbia University und Hauptautor einer neuen Studie, die in The Astrophysical Journal veröffentlicht wird und die Ergebnisse zusammenfasst. Die Studie ist derzeit auf dem arXiv-Preprint-Server veröffentlicht.

"Galaxien, die wie lange, dünne Brotstangen aussehen, scheinen im frühen Universum sehr häufig vorzukommen, was überraschend ist, da sie unter den Galaxien im heutigen Universum ungewöhnlich sind."

Das Team konzentrierte sich auf ein großes Feld von Nahinfrarot-Bildern, die von Webb geliefert wurden und als Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey bekannt sind. Dabei wurden Galaxien ausgewählt, von denen angenommen wird, dass sie existierten, als das Universum 600 Millionen bis 6 Milliarden Jahre alt war.

Während die meisten entfernten Galaxien wie Brotstangen aussehen, haben andere die Form von Pizzakuchen und Pizzateigkugeln. Die "Pizzateigkugeln" oder kugelförmigen Galaxien scheinen der kleinste Galaxientyp zu sein und wurden auch am seltensten identifiziert. Die pizzakuchenförmigen Galaxien wurden als groß wie brotstangenförmige Galaxien entlang ihrer längsten Achse gefunden. "Sie kommen in der nahen Umgebung häufiger vor, die aufgrund der andauernden Expansion des Universums aus älteren und reiferen Galaxien besteht."

In welche Kategorie würde unsere Milchstraßengalaxie fallen, wenn wir die Uhr um Milliarden von Jahren zurückdrehen könnten? "Unsere beste Vermutung ist, dass sie eher wie eine Brotstange ausgesehen haben könnte", sagte Mitautor Haowen Zhang, Doktorand an der University of Arizona in Tucson. Diese Hypothese basiert zum Teil auf neuen Erkenntnissen von Webb - Theoretiker haben "die Uhr zurückgedreht", um das Mass der Milchstraße vor Milliarden von Jahren abzuschätzen, was auf ihre wahrscheinliche brotstangenförmige Form in der entfernten Vergangenheit hindeutet.

Diese entfernten Galaxien sind auch viel weniger massereich als nahegelegene Spiralen und Ellipticals - sie sind Vorläufer für massereichere Galaxien wie unsere eigene. "Im frühen Universum hatten Galaxien viel weniger Zeit zum Wachsen", sagt Kartheik Iyer, ein Co-Autor und NASA Hubble Fellow, ebenfalls an der Columbia University.

"Es ist aufregend, zusätzliche Kategorien für frühe Galaxien zu identifizieren - es gibt jetzt viel mehr zu analysieren. Wir können nun untersuchen, wie sich die Formen von Galaxien auf ihr Aussehen beziehen und besser projizieren, wie sie sich viel genauer gebildet haben."

Hubble, das im Jahr 1990 gestartete Weltraumteleskop und bis heute Daten gesammelt hat, "hat schon lange einen Überschuss an länglichen Galaxien gezeigt", erklärt Co-Autor Marc Huertas-Company, ein Forschungswissenschaftler an der Fakultät für Astrophysik auf den Kanarischen Inseln. Aber die Forscher fragten sich dennoch: Würde sich mit der Empfindlichkeit für Infrarotlicht, die das im Jahr 2021 gestartete Webb-Teleskop bietet, weitere Details zeigen?

"Webb bestätigte, dass Hubble keine zusätzlichen Merkmale in den von beiden beobachteten Galaxien übersehen hat. Zudem zeigte uns Webb viele weitere entfernte Galaxien mit ähnlichen Formen, alle in großer Detailtreue", sagte Huertas-Company.

Eine Frage ist natürlich, warum frühe Galaxien dazu neigten, so abgeflacht und länglich zu sein. Eine Hypothese, so erklärte Pandya, ist, dass das frühe Universum möglicherweise von Filamenten dunkler Materie durchzogen war, die eine Art "skelettartigen Hintergrund" oder "kosmische Autobahn" bildeten, auf der Gas und Sterne entlang bewegt wurden. Diese Filamente existieren noch immer, sind aber aufgrund der Ausdehnung des Universums viel diffuser geworden, sodass sie weniger wahrscheinlich die Bildung von brotstangenförmigen Galaxien fördern.

Die Studie trägt den Namen "Galaxien, die Bananen essen", eine weitere Nahrungsmittel-Analogie, die den Autoren beim Betrachten ihrer Daten in den Sinn kam. Als die Autoren die Seitenverhältnisse von Galaxien gegen ihre längste Achslänge darstellten, stellten sie fest, dass die entstehenden Diagramme eindeutig wie Bananen aussahen, eine Form, die ihre längliche Ellipsoid- (also brotstangenförmige) Form widerspiegelt.

"Die Bananen sind eine andere Formulierung dafür, dass diese von Natur aus länglichen Galaxien anscheinend die dominierenden in den ersten 4 Milliarden Jahren des Universums sind", sagte Pandya.

Es gibt immer noch Wissenslücken. Die Forscher benötigen nicht nur eine noch größere Stichprobengröße von Webb, um die Eigenschaften und genauen Positionen entfernter Galaxien weiter zu verfeinern, sondern sie müssen auch ausreichend Zeit verwenden, um ihre Modelle zu optimieren und zu aktualisieren, um die präzisen Geometrien entfernter Galaxien besser widerzuspiegeln.

'These are early results,' said co-author Elizabeth McGrath, an associate professor at Colby College in Waterville, Maine. 'We need to delve more deeply into the data to figure out what's going on, but we're very excited about these early trends.'

Journal information: Astrophysical Journal , arXiv

Provided by Columbia University