Webb zeigt, daß viele frühe Galaxien wie Schwimmnudeln oder Surfbretter aussahen

Originalveröffentlichung am 17.01.2024 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases

Zusammenfassung: Hang Ten! Webb-Forscher fanden heraus, daß viele weit entfernte Galaxien abgeflachte ovale Scheiben und röhrenförmige Formen haben, keine spiralförmigen oder elliptischen Strukturen

Bereit, mit dem James-Webb-Weltraumteleskop in den kosmischen “Wellen” zu schwimmen? Wie ein diensthabender Rettungsschwimmer hat Webb den Horizont abgesucht und entfernte Galaxien in Form von Volleybällen, Wurf-scheiben, Schwimmnudeln und Surfbrettern entdeckt.

Die Forscher, die die Daten des Webb-Teleskops auswerteten, fanden auch heraus, daß die surfbrett- und schwimmnudel-förmigen Galaxien viel häufiger vorkamen, als das Universum 600 Millionen bis 6 Milliarden Jahre alt war. Dies steht im Gegensatz zu dem, was wir zuvor mit anderen Teleskopen für Galaxien, die viel näher am “Strand” liegen, festgestellt haben. Nahe gelegene Galaxien sind oft klar definierte Spiralen mit sternübersäten Armen, die auch Wurfscheiben ähneln, oder glatte elliptische Galaxien, die ebenfalls wie Volleybälle aussehen.

Es ist noch nicht klar, ob sich die für uns neuen Galaxienformen über die gesamte kosmische Zeit hinweg entwickelt haben. Künftige Forschungen sind erforderlich, um herauszufinden, wie sich die 3D-Geometrien der Galaxien im Laufe von mehr als 13 Milliarden Jahren verändert haben.

Forscher, die Bilder des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA auswerteten, haben herausgefunden, daß Galaxien im frühen Universum oft flach und länglich sind, wie Surfbretter und Schwimmnudeln – und selten rund, wie Volleybälle oder Frisbeescheiben. “Ungefähr 50 bis 80 % der von uns untersuchten Galaxien scheinen in zwei Dimensionen abge-flacht zu sein”, erklärt der Hauptautor Viraj Pandya, ein NASA Hubble-Stipendiat an der Columbia University in New York. “Galaxien, die wie Schwimmnudeln oder Surfbretter aussehen, scheinen im frühen Universum sehr häufig zu sein, was überraschend ist, da sie in der Nähe selten sind.”

Das Team konzentrierte sich auf ein riesiges Feld von Nahinfrarotbildern, die von Webb geliefert wurden, bekannt als Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey, und suchte Galaxien heraus, die schätzungsweise existierten, als das Universum 600 Millionen bis 6 Milliarden Jahre alt war.

Während die meisten fernen Galaxien wie Surfbretter und Schwimmnudeln aussehen, haben andere die Form von Wurf-scheiben und Volleybällen. Die “Volleybälle” oder kugelförmigen Galaxien sind der kompakteste Typ auf dem kosmischen “Ozean” und wurden auch am seltensten identifiziert. Die Frisbeescheiben sind so groß wie die surfbrett- und schwimm-nudelförmigen Galaxien entlang des “Horizonts”, kommen aber in der Nähe des “Ufers” im nahen Universum häufiger vor. (Vergleichen Sie diese unten bei „Frühe Galaxienformen von Webb aufgespürt“.)

In welche Kategorie würde unsere Milchstraße fallen, wenn wir die Uhr um Milliarden von Jahren zurückdrehen könnten? “Unsere beste Vermutung ist, daß sie eher wie ein Surfbrett aussah”, sagt Mitautor Haowen Zhang, Doktorand an der Universität von Arizona in Tucson. Diese Hypothese beruht teilweise auf neuen Erkenntnissen durch Webb – Theoretiker haben die Uhr zurückgedreht”, um die Masse der Milchstraße vor Milliarden von Jahren zu schätzen, die mit der damaligen Form korreliert.

Diese weit entfernten Galaxien sind auch weit weniger massereich als nahe gelegene spiralförmige und elliptische Galaxien – sie sind Vorläufer massereicherer Galaxien wie unserer eigenen. “Im frühen Universum hatten die Galaxien viel weniger Zeit zum Wachsen”, sagt Kartheik Iyer, Mitautor und NASA Hubble-Stipendiat und ebenfalls an der Columbia University. “Die Identifizierung zusätzlicher Kategorien für frühe Galaxien ist aufregend – es gibt jetzt viel mehr zu analysieren. Wir können jetzt untersuchen, wie die Form von Galaxien mit ihrem Aussehen zusammenhängt, und wir können viel detaillierter vorhersagen, wie sie entstanden sind.”

Dank der Empfindlichkeit des Webb-Teleskops, seiner hochauflösenden Auf-nahmen und seiner Spezialisierung auf Infra-rotlicht konnte das Team viele CEERS-Galaxien schnell charakterisieren und ihre 3D-Geometrie modellieren. Pandya sagt auch, daß ihre Arbeit ohne die umfangreichen Forschungsarbeiten, die Astronomen mit NASA’s Hubble-Weltraumteleskop durchgeführt haben, nicht möglich gewesen wäre.

Jahrzehntelang hat Hubble uns mit Bildern von einigen der frühesten Galaxien beeindruckt, beginnend mit seinem ersten “Deep Field” im Jahr 1995 und fortgesetzt mit einer bahnbrechenden Durchmusterung, die als Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey bekannt ist. Tiefere Himmelsdurchmusterungen wie diese führten zu weitaus umfangreicheren Statistiken, die es den Astronomen ermöglichten, robuste 3D-Modelle von weit entfernten Galaxien über die gesamte kosmische Zeit zu erstellen. Heute trägt Webb dazu bei, diese Bemühungen zu verbessern, indem es eine Fülle von weit entfernten Galaxien jenseits der Reichweite von Hubble hinzufügt und das frühe Universum in weitaus größerem Detail als bisher möglich enthüllt.

Die Webb-Bilder des frühen Universums haben wie eine Flutwelle gewirkt – sie haben neue Beweise geliefert. “Hubble hat seit langem einen Überschuß an länglichen Galaxien gezeigt”, erklärt Koautor Marc Huertas-Company, ein Wissenschaftler am Institut für Astrophysik auf den Kanarischen Inseln. Aber die Forscher fragten sich trotzdem: Würden zusätzliche Details mit der Empfindlichkeit für infrarotes Licht besser zu erkennen sein? “Webb bestätigte, daß Hubble keine zusätz-lichen Merkmale in den Galaxien, die beide beobachteten, übersehen hat. Außerdem zeigte uns Webb viele weitere weit entfernte Galaxien mit ähnlichen Formen, und das alles in großem Detail.”

Es gibt immer noch Wissenslücken – die Forscher benötigen nicht nur eine noch größere Stichprobe von Webb, um die Eigenschaften und die genaue Position der fernen Galaxien weiter zu verfeinern, sondern sie müssen auch viel Zeit darauf verwenden, ihre Modelle zu optimieren und zu aktualisieren, um die genaue Geometrie der fernen Galaxien besser wiederzugeben. “Dies sind frühe Ergebnisse”, sagte Mitautorin Elizabeth McGrath, eine außerordentliche Professorin am Colby College in Waterville, Maine. “Wir müssen noch tiefer in die Daten eindringen, um herauszufinden, was vor sich geht, aber wir sind sehr begeistert von diesen ersten Trends.”

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Observatorium für Weltraumforschung. Webb wird Rätsel in unserem Sonnensystem lösen, einen Blick auf ferne Welten um andere Sterne werfen und die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin erforschen. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisa-tion).

Literatur:

Galaxies Going Bananas: Inferring the 3D Geometry of High-redshift Galaxies with JWST-CEERS

Beispiele für die Formen entfernter Galaxien, die in der CEERS-Durchmusterung von Webb identifiziert wurden (NIRCam Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): CEERS-Durchmusterung, Extended Groth Strip
• Objektbeschreibung: Tiefenfeldvermessung
• Rektaszension: 14:19:46
• Deklination: +52:53:37
• Sternbild: Boötes
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 4,2 Bogenminuten
• Daten
• Instrument: NIRCam
• Filter: F115W, F150W, F200W, F277W, F356W, F444W
• Bild
• Farbinformation: Dieses Bild ist ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem NIRCam-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um einen breiten Wellenlängen-bereich zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuweisung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem monochroma-tischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F115W + F150W Grün: F200W + F277W Rot: F356W + F444W

Über das Bild: Seit mehr als einem Jahrhundert kategorisieren Astronomen nahe und ferne Galaxien, indem sie ihre Formen mit dem Auge vergleichen und ihre Eigenschaften mit Hilfe von Daten, die als Spektren bekannt sind, genau messen. So hat Edwin Hubble 1926 die Hubble-Stimmgabel entwickelt, um die Formen und Größen naher Galaxien zu sortieren, und dabei festgestellt, daß viele von ihnen spiralförmig oder elliptisch sind.

Da die Instrumente der Teleskope immer empfindlicher geworden sind, ist es einfacher, ihre Formen genauer zu klassifizieren. Neue Daten des James-Webb-Weltraumteleskops haben die Klassifizierungen der Astronomen um Nuancen erweitert. Da das Webb-Teleskop im Infrarotlicht beobachtet, erscheinen auf seinen Bildern viel mehr extrem weit entfernte Galaxien. Außerdem sind die Bilder sehr detailliert, so daß die Forscher erkennen können, ob es zusätzliche Bereiche mit Sternentstehung gibt – oder ob diese nicht vorhanden sind.

Ein Team unter Leitung von Viraj Pandya, ein NASA Hubble-Stipendiat an der Columbia University in New York, analysierte kürzlich Hunderte von weit entfernten Galaxien in der Webb-Durchmusterung Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS). CEERS deckt absichtlich einen Großteil desselben Gebiets ab wie der Extended Groth Strip des Hubble-Weltraumteleskops, der eines der fünf Felder war, die zur Erstellung des Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) verwendet wurden. So konnten sie die Ergebnisse von Webb dort überprüfen, wo sich die Beobachtungen der beiden Teleskope überschneiden.

“Unsere Analyse der Webb-Galaxien stimmte sehr gut mit den Galaxien im Katalog des Hubble-Weltraumteleskops überein”, bestätigt Pandya. “Zwei Datensätze ermöglichten es uns, unsere Modelle während der Auswertung vollständig zu überprüfen und Galaxien, die nur von Webb entdeckt wurden, besser zu verstehen und zu kategorisieren.” Das Team begann seine Analyse, indem es die Galaxien anhand ähnlicher Merkmale in große Klassen einteilte. (Sie klassifizierten nicht das individuelle Aussehen jeder Galaxie, da dafür detaillierte Informationen aus den Daten, die als Spektren bekannt sind, erforderlich wären).

Sie fanden eine Reihe seltsamer Formen, als das Universum 600 Millionen bis 6 Milliarden Jahre alt war. Die vorherr-schenden Galaxienformen sehen flach und länglich aus, wie Schwimmnudeln oder Surfbretter. Diese beiden Galaxien-typen machen etwa 50 bis 80 % aller untersuchten fernen Galaxien aus – eine Überraschung, da diese Formen in der Nähe unserer Heimat selten sind.

Andere Galaxien, die Webb entdeckt hat, erscheinen rund, aber auch abgeflacht, wie Frisbeescheiben. Die am wenigsten besiedelte Kategorie besteht aus Galaxien, die wie Kugeln oder Volleybälle geformt sind.

Die Daten von Webb lösten auch ein Rätsel, das durch die Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops vor Jahr-zehnten aufgeworfen wurde. Warum erscheinen so viele weit entfernte Galaxien wie lange Linien? Gab es mehr als die Galaxien, die auf den Bildern nicht zu sehen waren? Webb beantwortete diese Frage in kürzester Zeit: Hubble hat nichts übersehen.

“Webb hat bestätigt, was Hubble uns schon lange gezeigt hat, allerdings mit mehr Details im Infrarotlicht”, sagte Pandya. “Ihre kombinierten Beobachtungen zeigen, daß im frühen Universum viel mehr Galaxien flach und länglich erscheinen. Das hat tiefgreifende Auswirkungen, da wir normalerweise davon ausgehen, daß Galaxien wie unsere eigene Milchstraße als Scheiben anfingen, aber das ist vielleicht nicht der Fall.”

Warum haben Galaxien zu Beginn der Geschichte des Universums so unterschiedliche Formen? Diese Frage bleibt vorerst unbeantwortet, aber es wird geforscht, um besser zu verstehen, wie sich Galaxien über die gesamte kosmische Zeit hinweg entwickelt haben.

Sehen Sie sich weitere Galaxienproben unter „3D-Klassifizierungen für weit entfernte Galaxien in Webb’s CEERS-Durchmusterung“ aus der CEERS-Durchmusterung von Webb an und vergleichen Sie ihre 3D-Formen hier „Frühe Galaxienformen von Webb aufgespürt“ genauer.

3D-Klassifizierungen für weit entfernte Galaxien in Webb’s CEERS-Durchmusterung (NIRCam Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): CEERS-Durchmusterung, Extended Groth Strip
• Objektbeschreibung: Tiefenfeldvermessung
• Rektaszension: 14:19:46
• Deklination: +52:53:37
• Sternbild: Boötes
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 4,2 Bogenminuten
• Daten
• Instrument: NIRCam
• Filter: F115W, F150W, F200W, F277W, F356W, F444W
• Bild
• Farbinformation: Dieses Bild ist ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem NIRCam-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um einen breiten Wellenlängen-bereich zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuweisung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem monochroma-tischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F115W + F150W Grün: F200W + F277W Rot: F356W + F444W

Über das Bild: Dies sind Beispiele für weit entfernte Galaxien, die vom James-Webb-Weltraumteleskop der NASA im Rahmen seiner CEERS-Durchmusterung (Cosmic Evolution Early Release Science) aufgenommen wurden.

Jüngste Untersuchungen des CEERS-Feldes unter der Leitung von Viraj Pandya, einem NASA Hubble Stipendiat an der Columbia University in New York, haben gezeigt, daß Galaxien häufig flach und länglich erscheinen, wie Schwimmnudeln oder Surfbretter (in der oberen Reihe).

Dünne, kreisförmige, scheibenförmige Galaxien, die Frisbeescheiben ähneln, sind die nächste große Gruppe (unten links und Mitte).

Den kleinsten Anteil an den Entdeckungen machen schließlich Galaxien aus, die wie Kugeln oder Volleybälle geformt sind (unten rechts).

Man vermutet, daß alle diese Galaxien bereits existierten, als das Universum 600 Millionen bis 6 Milliarden Jahre alt war.

Diese Ergebnisse gelten noch als vorläufig, da das Team die Bilder der Galaxien anhand ähnlicher Merkmale in grobe Klassen einteilte. (Eine Klassifizierung der einzelnen Galaxien wurde nicht vorgenommen, da hierfür detaillierte Informationen aus Daten, die als Spektren bekannt sind, erforderlich wären). Um vollständig zu bestimmen, welche Galaxienformen und Galaxienzusammensetzungen im frühen Universum existierten, sind noch viele weitere Analysen von viel weiter entfernten Galaxien erforderlich.

Frühe Galaxienformen von Webb aufgespürt (Künstlerischer Entwurf)

Über das Bild: Das James-Webb-Weltraumteleskop hilft den Forschern bereits bei der Feinabstimmung ihrer Klassifizierungen entfernter Galaxien, indem es die seit Jahrzehnten durchgeführten Analysen erheblich beschleunigt und genauer macht.

Die Forschung unter der Leitung von Viraj Pandya, NASA Hubble-Stipendiat an der Columbia University in New York, konzentrierte sich auf mehrere tausend Galaxien in dem Webb Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey, die existierten, als das Universum 600 Millionen bis 6 Milliarden Jahre alt war. Das Team fand heraus, daß die meisten weit entfernten Galaxien nicht wie die bekannteren spiralförmigen und elliptischen Galaxien aussehen, die näher an der Erde liegen.

Pandya’s Team ermittelte vier Hauptklassifizierungen, die oben sowohl als 3D-Objekte als auch als Querschnitte abge-bildet sind. Sie sind von der geringsten bis zur größten Häufigkeit geordnet.

Oben links zeigt Webb’s Durchmusterung eine Klassifizierung, die im frühen Universum selten ist, heute aber häufig vor-kommt: Galaxien, die wie Kugeln oder Volleybälle geformt sind.

Rechts oben sind abgeflachte kreisförmige Scheiben oder Frisbees zu sehen, die nur wenig häufiger vorkommen.

Die Galaxienformen, die in dieser frühen Periode dominieren, sehen flach und länglich aus, wie Surfbretter (unten links) oder Schwimmnudeln (unten rechts). Diese beiden Klassifizierungen machen etwa 50 bis 80 % aller bisher untersuchten fernen Galaxien aus – eine Überraschung, da diese Formen in der Nähe eher ungewöhnlich sind.

Die Fortschritte bei den Klassifizierungen der Astronomen sind der Empfindlichkeit von Webb, seinen hochauflösenden Bildern und seiner Spezialisierung auf Infrarotlicht zu verdanken. Die astronomische Gemeinschaft wird auch weiter entfernte Galaxien mit viel größeren Stichproben von Webb und anderen Teleskopen vollständig klassifizieren müssen, bevor sie sich auf feste Gruppierungen einigen kann.

“Durch die Fortsetzung dieser Forschung werden wir und andere Teams in der Lage sein, unser Verständnis über die innere Struktur von Galaxien zu diesem Zeitpunkt in der Geschichte des Universums zu verbessern”, erklärt Mitautorin Elizabeth McGrath, eine außerordentliche Professorin am Colby College in Waterville, Maine. “Durch die Kombination von Informationen aus verschiedenen Datensätzen werden wir die Form von Galaxien über die gesamte kosmische Zeit hinweg besser verstehen.”

Teil der Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS)-Durchmusterung (NIRCam Kompass-Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): CEERS-Durchmusterung, Extended Groth Strip
• Objektbeschreibung: Tiefenfeldvermessung
• Rektaszension: 14:19:46
• Deklination: +52:53:37
• Sternbild: Boötes
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 4,2 Bogenminuten
• Daten
• Instrument: NIRCam
• Filter: F115W, F150W, F200W, F277W, F356W, F444W
• Bild
• Farbinformation: Dieses Bild ist ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem NIRCam-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um einen breiten Wellenlängen-bereich zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuweisung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem monochroma-tischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F115W + F150W Grün: F200W + F277W Rot: F356W + F444W

Über das Bild: Dies ist ein Teil des Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey, der aus mehreren Nahinfrarotaufnahmen der NIRCam (Nahinfrarotkamera) an Bord des James-Webb-Weltraumteleskop besteht. Diese Beobachtungen befinden sich in der gleichen Region, die auch vom Hubble-Weltraumteleskop untersucht wurde und die als Extended Groth Strip bekannt ist.

Die Kompasspfeile nach Norden und Osten zeigen die Ausrichtung des Bildes am Himmel an. Beachten Sie, daß die Beziehung zwischen Norden und Osten am Himmel (von unten gesehen) im Vergleich zu den Richtungspfeilen auf einer Karte des Bodens (von oben gesehen) umgekehrt ist.

Dieses Bild zeigt unsichtbare Nahinfrarot-Wellenlängen, die in Farben des sichtbaren Lichts umgewandelt wurden. Der Farbschlüssel zeigt, welche NIRCam-Filter bei der Erfassung des Lichts verwendet wurden. Die Farbe jedes Filternamens ist die Farbe des sichtbaren Lichts, die verwendet wird, um das infrarote Licht darzustellen, das durch diesen Filter gelangt.

Die Skala ist in Bogensekunden angegeben, was ein Maß für die Winkelentfernung am Himmel ist. Eine Bogensekunde entspricht einem Winkelmaß von 1/3600 eines Grades. Ein Grad besteht aus 60 Bogenminuten und eine Bogenminute aus 60 Bogensekunden (der Vollmond hat einen Winkeldurchmesser von etwa 30 Bogenminuten). Die tatsächliche Größe eines Objekts, das eine Bogensekunde am Himmel einnimmt, hängt von seiner Entfernung zum Teleskop ab.