Das Webb Space Telescope hat die am weitesten entfernten komplexen organischen Moleküle des Universums erfasst.

5. Juni 2023

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Von Lois Yoksoulian, Universität Illinois in Urbana-Champaign, überprüft

Forscher haben komplexe organische Moleküle in einer Galaxie entdeckt, die mehr als 12 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist - die fernste Galaxie, in der diese Moleküle jetzt bekannt sind. Dank der Fähigkeiten des kürzlich gestarteten James Webb Space Telescope und einer sorgfältigen Analyse des Forschungsteams gibt eine neue Studie wichtige Einblicke in die komplexen chemischen Wechselwirkungen, die in den ersten Galaxien des frühen Universums auftreten. 

Der Astronomie- und Physikprofessor der Universität Illinois Urbana-Champaign Joaquin Vieira und der Doktorand Kedar Phadke haben mit Forschern der Texas A&M University und einem internationalen Team von Wissenschaftlern zusammengearbeitet, um zwischen Infrarotsignalen zu unterscheiden, die von einigen der massereichen und größeren Staubkörner in der Galaxie erzeugt werden, und denen der neu beobachteten Kohlenwasserstoffmoleküle. Die Ergebnisse der Studie sind im Journal Nature veröffentlicht.

"Dieses Projekt begann, als ich im Studium der schwer nachweisbaren, sehr entfernten Galaxien, die durch Staub verdeckt sind, war," sagte Vieira. "Staubkörner absorbieren und emittieren etwa die Hälfte der Sternstrahlung, die im Universum produziert wird, wodurch Infrarotlicht von entfernten Objekten extrem schwach oder durch bodengestützte Teleskope nicht nachweisbar wird."

In der neuen Studie erhielt das JWST einen Schub durch das, was die Forscher als "natürliche Lupe" bezeichnen- ein Phänomen namens Gravitationslinsen. "Diese Vergrößerung tritt auf, wenn zwei Galaxien aus Sicht der Erde fast perfekt ausgerichtet sind und Licht aus der Hintergrundgalaxie durch die Vordergrundgalaxie zu einer ringförmigen Form, bekannt als Einstein-Ring, verformt und vergrößert wird", sagte Vieira.

Das Team konzentrierte sich mit dem JWST auf SPT0418-47 - ein Objekt, das mit dem South Pole Telescope der National Science Foundation entdeckt wurde und zuvor als durch Staub verdeckte Galaxie identifiziert worden war, die durch Gravitationslinsen um den Faktor 30 bis 35 vergrößert wurde. SPT0418-47 ist 12 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und entspricht einer Zeit, als das Universum weniger als 1,5 Milliarden Jahre alt war oder etwa 10% seines derzeitigen Alters, so die Forscher.

"Bevor wir Zugang zur kombinierten Leistung von Gravitationslinsen und dem JWST hatten, konnten wir weder die tatsächliche Hintergrundgalaxie durch den Staub sehen noch räumlich auflösen", sagte Vieira.

Spektroskopische Daten des JWST legen nahe, dass das verdeckte interstellare Gas in SPT0418-47 mit schweren Elementen angereichert ist, was darauf hinweist, dass Generationen von Sternen bereits gelebt und gestorben sind. Die spezifische Verbindung, die die Forscher entdeckten, ist eine Art von Molekül namens Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe oder PAHs. Auf der Erde kommen diese Moleküle in den Abgasen von Verbrennungsmotoren oder Waldbränden vor. Da sie aus Kohlenstoffketten bestehen, gelten diese organischen Moleküle als die Grundbausteine für die frühesten Formen des Lebens, sagten die Forscher.

"Was uns diese Forschung gerade sagt - und wir lernen immer noch - ist, dass wir alle Regionen sehen können, in denen diese kleineren Staubkörner liegen - Regionen, die wir vor dem JWST nie sehen konnten", sagte Phadke. "Die neuen spektroskopischen Daten lassen uns die atomare und molekulare Zusammensetzung der Galaxie beobachten und bieten sehr wichtige Einblicke in die Entstehung von Galaxien, ihren Lebenszyklus und wie sie sich entwickeln."

"Das haben wir nicht erwartet", sagte Vieira. "Die Erfassung dieser komplexen organischen Moleküle in einer so großen Entfernung verändert das Spiel in Bezug auf zukünftige Beobachtungen. Diese Arbeit ist nur der erste Schritt, und wir lernen gerade, wie man sie nutzt und ihre Fähigkeiten erlernt. Wir sind sehr gespannt darauf, wie sich das entwickeln wird."

"Es ist sehr cool, dass Galaxien, die ich während meiner Dissertation entdeckt habe, eines Tages vom JWST beobachtet werden würden", sagte Vieira. "Ich bin den amerikanischen Steuerzahlern, der NSF und NASA dankbar, die sowohl das SPT als auch das JWST finanziert und unterstützt haben. Ohne diese Instrumente hätte diese Entdeckung nie gemacht werden können."

Journal-Informationen: Nature

Bereitgestellt von der Universität Illinois in Urbana-Champaign.