Webb enthüllt den Riesen des frühen Universums

Detaillierte Bilder einer der ersten Galaxien zeigen, dass das Wachstum im frühen Universum viel schneller erfolgte als zunächst angenommen.

Astronomen erleben derzeit eine fruchtbare Entdeckungsphase und erforschen viele der Geheimnisse des frühen Universums.

Der erfolgreiche Start des James Webb Space Telescope (JWST), des Nachfolgers des Hubble-Weltraumteleskops der NASA, hat die Grenzen dessen, was wir sehen können, erweitert.

Die Beobachtungen beginnen nun mit den ersten 500 Millionen Jahren nach dem Urknall, als das Universum weniger als fünf Prozent seines heutigen Alters hatte. Für den Menschen wird das Universum dieses Mal das Kleinkindstadium endgültig erreichen.

Die von uns beobachteten Galaxien sind jedoch sicherlich nicht kindisch, da neue Beobachtungen Galaxien offenbaren, die massereicher und ausgereifter sind als bisher zu so frühen Zeiten erwartet, was dazu beiträgt, unser Verständnis der Galaxienentstehung und -entwicklung neu zu definieren.

Unser internationales Forschungsteam hat kürzlich beispiellose detaillierte Beobachtungen einer der ältesten bekannten Galaxien – genannt Gz9p3 – durchgeführt, die jetzt in veröffentlicht wurden Naturastronomie.

Sein Name kommt von Zusammenarbeit mit Glas (Name unseres internationalen Forschungsteams) und die Tatsache, dass die Galaxie eine Rotverschiebung von z=9,3 aufweist, wobei die Rotverschiebung eine Möglichkeit ist, die Entfernung zu einem Objekt zu beschreiben – daher G und z9p3.

Gz9p3, die hellste verschmolzene Galaxie, die in den ersten 500 Millionen Jahren des Universums bekannt war (beobachtet vom James Webb Space Telescope). Links: Live-Aufnahmen zeigen einen Doppelkern im zentralen Bereich. Rechts: Leichte Querschnittsmerkmale zeigen eine längliche, klumpige Struktur, die aus der Verschmelzung von Galaxien resultiert. Bildnachweis: NASA

Erst vor zwei Jahren entstand der Gz9p3 als Single Point of Light Through Hubble-Weltraumteleskop. Aber mit James Webb-Weltraumteleskop Wir können dieses Objekt so beobachten, wie es 510 Millionen Jahre später war die große Explosionvor etwa 13 Milliarden Jahren.

Wir fanden heraus, dass Gz9p3 viel massereicher und ausgereifter war als für ein so junges Universum erwartet und tatsächlich mehrere Milliarden Sterne enthielt.

Es war mit Abstand das massereichste Objekt, das seit dieser Zeit bestätigt wurde, und Schätzungen zufolge war es zehnmal größer als jede andere Galaxie, die im frühen Universum entdeckt wurde.

Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass sich Sterne schneller und effizienter entwickelt haben müssen, als wir zunächst dachten, damit die Galaxie diese Größe erreichen kann.

Verschmelzung der am weitesten entfernten Galaxien im frühen Universum

Gz9p3 ist nicht nur massiv, seine komplexe Form weist es auch sofort als eine der ältesten jemals gesehenen Galaxienverschmelzungen aus.

Die JWST-Aufnahme der Galaxie zeigt eine Morphologie, die typischerweise mit zwei interagierenden Galaxien verbunden ist. Die Fusion ist noch nicht abgeschlossen, da wir immer noch zwei Komponenten sehen.

Wenn zwei massive Objekte auf diese Weise zusammenkommen, entledigen sie sich dabei einiger Materie. Dieses verworfene Material deutet also darauf hin, dass es sich bei dem, was wir beobachtet haben, um eine der am weitesten entfernten Fusionen aller Zeiten handelt.

Das James-Webb-Teleskop – das größte und leistungsstärkste Instrument seiner Art, das jemals ins All geschossen wurde – verwendet einen 6,5 Meter großen Primärspiegel, der aus 18 sechseckigen Spiegeln besteht und mit einer Goldschicht bedeckt ist, um einige der ältesten Bilder des Universums zu erzeugen. Bildnachweis: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

Als nächstes ging unsere Studie tiefer, um die Sternhaufen zu charakterisieren, aus denen die verschmelzenden Galaxien bestehen. Mithilfe von JWST konnten wir dies untersuchen Galaxienspektrumspaltet Licht auf die gleiche Weise, wie ein Prisma weißes Licht in einen Regenbogen spaltet.

Bei alleiniger Bildgebung zeigen die meisten Studien dieser sehr weit entfernten Objekte nur sehr junge Sterne, da jüngere Sterne heller sind und ihr Licht daher die Bilddaten dominiert.

Beispielsweise übertrifft eine durch galaktische Verschmelzung entstandene, strahlend junge Population, die weniger als ein paar Millionen Jahre alt ist, eine ältere Population, die bereits mehr als 100 Millionen Jahre alt ist.

verwenden Spektralanalysetechnik Wir können so detaillierte Beobachtungen machen, dass die beiden Gruppen unterschieden werden können.

Neue Modelle des frühen Universums

Eine so große ältere Population hätte man nicht erwartet, wenn man bedenkt, wie früh sich Sterne gebildet haben, die zu diesem kosmischen Zeitpunkt alt genug waren. Die Spektroskopie ist so detailliert, dass wir die subtilen Merkmale alter Sterne erkennen können, die uns verraten, dass es da draußen mehr gibt, als Sie denken.

Spezifische im Spektrum nachgewiesene Elemente (einschließlich Silizium, Kohlenstoff und Eisen) zeigen, dass diese ältere Population vorhanden sein muss, um die Galaxie mit einer Fülle an Chemikalien anzureichern.

Überraschend ist nicht nur die Größe der Galaxien, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der sie zu diesem chemisch ausgereiften Zustand herangewachsen sind.

Diese Beobachtungen liefern Beweise für eine schnelle und effiziente Ansammlung von Sternen und Metallen unmittelbar nach dem Urknall, die mit laufenden Galaxienverschmelzungen einhergeht, und zeigen, dass massereiche Galaxien mit vielen Milliarden Sternen früher als erwartet existierten.

Die Beobachtungen liefern Hinweise auf eine schnelle und effiziente Ansammlung von Sternen und Metallen unmittelbar nach dem Urknall. Bildnachweis: NASA, ESA, Jennifer Lutz (STScI), Matt Mountain (STScI), Anton M. Koikimore (STScI), HFF-Team (STScI)

Isolierte Galaxien bilden ihre Sternpopulationen Vor Ort Aufgrund ihres begrenzten Gasvorrats kann dies jedoch ein langsamer Weg für das Wachstum von Galaxien sein.

Durch Wechselwirkungen zwischen Galaxien können neue Ströme aus reinem Gas angezogen werden, die den nötigen Treibstoff für eine schnelle Sternentstehung liefern, und Fusionen bieten einen schnelleren Kanal für Massenansammlung und -wachstum.

Die größten Galaxien in unserem modernen Universum haben eine Geschichte von Verschmelzungen hinter sich, auch unsere eigene Milchstraße Durch sukzessive Verschmelzungen mit kleineren Galaxien ist sie zu ihrer heutigen Größe angewachsen.

Beobachtungen von Gz9p3 zeigen, dass Galaxien im frühen Universum durch Verschmelzungen schnell Masse ansammeln konnten, wobei die Sternentstehungseffizienz höher war als erwartet.

Diese und andere Beobachtungen mit dem James Webb-Weltraumteleskop veranlassen Astrophysiker, ihre Modelle der frühen Jahre des Universums zu überarbeiten.

Unsere Kosmologie ist nicht unbedingt falsch, aber unser Verständnis darüber, wie schnell sich Galaxien bilden, könnte falsch sein, weil sie viel größer sind, als wir es für möglich gehalten hätten.

Diese neuen Erkenntnisse kommen zu einem guten Zeitpunkt, da wir uns der Zwei-Jahres-Marke für wissenschaftliche Beobachtungen mit dem James Webb-Weltraumteleskop nähern.

Da die Gesamtzahl der beobachteten Galaxien zunimmt, gehen Astronomen, die das frühe Universum untersuchen, von der Entdeckungsphase zu einer Phase über, in der wir Proben haben, die groß genug sind, um mit der Erstellung und Verfeinerung neuer Modelle zu beginnen.

Es gab noch nie einen aufregenderen Zeitpunkt, die Geheimnisse des frühen Universums zu verstehen.

Referenz: „Eine massive interagierende Galaxie 510 Millionen Jahre nach dem Urknall“ von Kristan Boyett, Michele Trinti, Nisha Lithokawalit, Antonello Calabro, Benjamin Metha, Guido Roberts Borsani, Niccolò Dalmaso, Lilan Yang, Paola Santini, Tommaso Trio, Tucker Jones. Alaina Henry, Charlotte A. Mason, Takahiro Morishita, Themia Nanayakkara, Namrata Roy, Chen Wang, Adriano Fontana, Emiliano Merlin, Marco Castellano, Diego Paris, Marusha Bradac, Matt Malkan, Danilo Marchesini, Sara Mascia, Karl Glezbrook, Laura Pinterici. , Eros Vanzella und Benedetta Vulcani, 7. März 2024, Naturastronomie.
doi: 10.1038/s41550-024-02218-7

Die Studie wurde von Dr. Kate Boyett mit einem Team geleitet, zu dem die Professoren Michael Trinity und Benjamin Mitha gehörten Niccolò Dalmaso Auch von der University of Melbourne und ARC-Kompetenzzentrum für alle Himmelsastrophysik in 3 Dimensionen (ASTRO 3D). Ein internationales Forschungsteam wird gebildet 27 Autoren aus 19 Institutionen in Australien, Thailand, Italien, USA, Japan, Dänemark und China.