Gefunden: Erste sich lebhaft bildende Galaxie, die so leicht ist wie die junge Milchstraße

Originalveröffentlichung am 11.12.2024 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases

Zusammenfassung: Diese Galaxie, die gestreckt und vergrößert ist, glänzt mit 10 verschiedenen Sternhaufen, die zu unterschiedlichen Zeiten entstanden sind

Wie Glühwürmchen, die in einer warmen Sommernacht „tanzen“, erscheinen 10 verschiedene Sternhaufen in den Beobachtungen von NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop. Sie liegen sich in einem Kokon aus diffusem Licht, das von anderen, um sie herum verstreuten Sternen abgestrahlt wird. Diese Galaxie, die als Firefly Sparkle (auf Deutsch Glühwürmchenfunkeln) bekannt ist, nahm etwa 600 Millionen Jahre nach dem Urknall Gestalt an.

Forscher, die die Bilder und Daten von Webb nutzten, kamen zu dem Schluß, daß die Firefly Sparkle Galaxie die gleiche Masse hat wie unsere Milchstraße, wenn wir die Zeit zurückdrehen könnten, um sie zu wiegen, als sie sich zusammensetzte.

Wie ist diese Analyse möglich? Ein natürlicher Effekt, der als Gravitationslinseneffekt bekannt ist, ermöglicht es den Forschern, extrem weit entfernte Objekte zu vergrößern, die perfekt mit Webb’s Blick in einer Linie stehen. In Kombination mit den Nahinfrarotbildern und -daten des Teleskops können die Astronomen weit entfernte Objekte in erstaunlichen Details untersuchen.

NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop hat zum ersten Mal eine Galaxie entdeckt und „gewogen“, die nicht nur ungefähr 600 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte, sondern auch eine ähnliche Masse wie unsere Milchstraße in der gleichen Entwicklungsphase gehabt haben könnte. Andere Galaxien, die Webb in diesem Zeitraum entdeckt hat, sind deutlich massereicher. Diese Galaxie mit dem Spitznamen „Firefly Sparkle“ (Glühwürmchenfunkeln-Galaxie) glänzt mit insgesamt 10 Sternhaufen, von denen die Forscher jeden einzelnen sehr detailliert untersucht haben.

„Ich hatte mir nicht vorgestellt, daß es möglich ist, eine Galaxie, die so früh im Universum existierte, in so viele verschiedene Komponenten aufzulösen, geschweige denn, daß ihre Masse mit der unserer eigenen Galaxis vergleichbar ist, als sie noch in der Entstehung begriffen war“, sagt Lamiya Mowla, Mitautorin der Untersuchung und Assistenzprofessorin am Wellesley College in Massachusetts. „In dieser winzigen Galaxie geht so viel vor sich, einschließlich so vieler verschiedener Phasen der Sternentstehung.“

Webb war aus zwei Gründen in der Lage, die Galaxie in scharfen Details abzubilden. Der eine ist ein Vorteil mit Hilfe des Kosmos: Ein massereicher Galaxiencluster im Vordergrund verstärkte das Erscheinungsbild der fernen Galaxie durch einen natürlichen Effekt, der als Gravitationslinseneffekt bekannt ist. In Kombination mit der Spezialisierung des Teleskops auf hochaufgelöstes Infrarotlicht lieferte Webb beispiellose neue Daten über den Inhalt der Galaxie.

„Ohne die Unterstützung durch diese Gravitationslinse hätten wir diese Galaxie nicht auflösen können“, sagte Kartheik Iyer, einer der Hauptautoren und NASA Hubble-Stipendiat an der Columbia University in New York. „Es war uns bewußt, daß wir die Galaxie aufgrund der aktuellen Physik erwarten durften, aber es ist überraschend, daß wir sie tatsächlich gesehen haben.“

Mowla, die die Galaxie auf dem Bild von Webb entdeckte, wurde von den schimmernden Sternhaufen angezogen, denn Objekte, die funkeln, deuten normalerweise darauf hin, daß sie extrem klumpig und kompliziert sind. Da die Galaxie wie ein „Funkeln“ oder ein Schwarm von Glühwürmchen in einer warmen Sommernacht aussieht, nannten sie sie Firefly Sparkle Galaxie.

Rekonstruktion des Erscheinungsbildes der Galaxie

Das Forscherteam modellierte, wie die Galaxie aussehen könnte, wenn sie nicht gestreckt wäre, und entdeckte, daß sie einem länglichen Regentropfen ähnelt. In ihrem Inneren befinden sich zwei Sternhaufen im oberen Bereich und acht im unteren Bereich. „Unsere Rekonstruktion zeigt, daß Klumpen von sich geschäftig bildenden Sternen von diffusem Licht anderer, nicht aufgelöster Sterne umgeben sind“, so Iyer. „Diese Galaxie ist buchstäblich im Begriff, sich zusammenzusetzen.“

Die Daten von Webb zeigen, daß die Firefly Sparkle Galaxie eher klein ist und in die Kategorie der Galaxien mit geringer Masse fällt. Es werden Milliarden von Jahren vergehen, bis sie ihr volles Gewicht und eine ausgeprägte Form erreicht hat. „Die meisten der anderen Galaxien, die Webb uns gezeigt hat, sind nicht vergrößert oder gestreckt, und wir können ihre ‘Bausteine’ nicht einzeln sehen. Mit Firefly Sparkle werden wir Zeuge, wie eine Galaxie Stein für Stein zusammengesetzt wird“, sagte Mowla.

Ausgestreckt und glänzend, bereit für eine genaue Analyse

Da die Galaxie zu einem langen Bogen verzogen ist, konnten die Forscher leicht 10 verschiedene Sternhaufen ausmachen, die den Großteil des Lichts der Galaxie aussenden. Sie sind hier in Rosa-, Lila- und Blautönen dargestellt. Diese Farben in den Webb-Bildern und den zugehörigen Spektren bestätigen, daß die Sternentstehung in dieser Galaxie nicht auf einmal, sondern zeitlich gestaffelt erfolgte.

„Diese Galaxie hat eine vielgestaltige Population an Sternhaufen, und es ist bemerkenswert, daß wir sie in einem so frühen Alter des Universums einzeln sehen können“, sagte Chris Willott vom Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Centre des National Research Council of Canada, einer der Mitautoren und Leiter des Beobachtungsprogramms. „Jeder Sternhaufen befindet sich in einer anderen Phase der Entstehung oder Entwicklung.

Die wahrscheinliche Form der Galaxie zeigt, daß sich die Sterne noch nicht zu einer zentralen Ausbuchtung oder einer dünnen, abgeflachten Scheibe zusammengeballt haben – ein weiteres Indiz dafür, daß sich die Galaxie noch in der Entstehung befindet.

‘Leuchtende’ Begleiter

Die Forscher können nicht vorhersagen, wie sich diese ungeordnete Galaxie im Laufe von Milliarden von Jahren aufbauen und formen wird, aber es gibt zwei vom Team bestätigte Galaxien, die in unmittelbarer Umgebung „herumhängen“ und möglicherweise Einfluß darauf haben, wie die Galaxie im Laufe von Milliarden von Jahren an Masse gewinnt.

Firefly Sparkle ist nur 6.500 Lichtjahre von ihrem ersten Begleiter entfernt, und 42.000 Lichtjahre von ihrem zweiten Begleiter getrennt. Zum Vergleich: Die voll ausgebildete Milchstraße hat einen Durchmesser von circa 100.000 Lichtjahren – alle drei würden in sie hineinpassen. Die Begleiter sind nicht nur sehr nahe beieinander, die Forscher vermuten auch, daß sie sich gegenseitig umkreisen.

Jedes Mal, wenn eine Galaxie an einer anderen vorbeizieht, verdichtet sich das Gas und kühlt ab, so daß neue Sterne in Haufen entstehen und die Masse der Galaxien zunimmt. „Es wird seit langem vorhergesagt, daß sich Galaxien im frühen Universum durch aufeinanderfolgende Wechselwirkungen und Verschmelzungen mit anderen, kleineren Galaxien bilden“, sagt Yoshihisa Asada, Mitautor und Doktorand an der Universität Kyoto in Japan. „Wir könnten Zeuge dieses Prozesses in Aktion sein.“

Die Forschungsarbeiten des Teams stützten sich auf Daten der CAnadian NIRISS Unbiased Cluster Survey (CANUCS) von Webb, die Nahinfrarot-Bilder der NIRCam (Nahinfrarot-Kamera) und Spektren des Mikroshutter-Arrays an Bord des NIRSpec (Nahinfrarot-Spektrographen) umfaßt. Die CANUCS-Daten deckten absichtlich ein Feld ab, das vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA im Rahmen des CLASH-Programms (Cluster Lensing And Supernova Survey with Hubble) aufgenommen wurde.

Diese Arbeit ist am 11. Dezember 2024 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht worden.

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 Weltraumorganisation).

Firefly Sparkle Galaxie und Begleiter im Galaxiencluster MACS J1423 (NIRCam Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Firefly Sparkle, MACS J1423.8+2404
• Objektbeschreibung: Durch Gravitationslinseneffekt eines Galaxienclusters verstärkte Galaxie, Galaxiencluster
• Rektaszension: 14:23:47.79
• Deklination: +24:05:04.64
• Sternbild: Boötes
• Entfernung: Galaxiencluster ist 5 Milliarden Lichtjahre entfernt
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 2,3 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 Wellenlängenbereich zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuordnung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem monochromatischen (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: Zum ersten Mal haben Astronomen eine sich noch bildende Galaxie ausgemacht, die annähernd so viel wiegt wie unsere Milchstraße, wenn wir die Uhr zurückdrehen könnten, um unsere Galaxis zu wiegen, als sie sich entwickelte. Die neu entdeckte Galaxie, die Firefly Sparkle, befindet sich im Prozeß der Sternentstehung und existiert etwa 600 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Die Galaxie ist aufgrund eines natürlichen Effekts, der als Gravitationslinseneffekt bekannt ist, gestreckt und verzerrt, was es den Forschern ermöglichte, weitaus mehr Informationen über ihre Bestandteile zu gewinnen. (In einigen Bereichen des Webb-Bildes ist die Galaxie über 40-fach vergrößert).

Während sie Gestalt annahm, leuchtete die Galaxie mit Sternhaufen in einer Reihe von Infrarotfarben, die wissenschaftlich bedeutsam sind. Sie deuten darauf hin, daß sich die Sterne zu unterschiedlichen Zeiten gebildet haben und nicht alle auf einmal.

„Ich hätte nicht gedacht, daß es möglich sein würde, eine Galaxie, die so früh im Universum existiert, in so viele verschiedene Komponenten aufzulösen, geschweige denn eine Galaxie mit der Masse der Milchstraße zu entdecken, die sich gerade bildet“, sagte Lamiya Mowla, die Hauptautorin und Assistenzprofessorin am Wellesley College in Massachusetts.

Da die Galaxie in den Webb-Beobachtungen zu einer langer Linie ausgezogen ist, konnten die Forscher 10 verschiedene Sternhaufen identifizieren und sie einzeln untersuchen, zusammen mit dem Kokon aus diffusem Licht von den zusätzlichen, nicht aufgelösten Sternen, die sie umgeben. Das ist bei weit entfernten Galaxien, die nicht durch den Gravitationslinseneffekt verstärkt sind, nicht immer möglich. Stattdessen können die Forscher in vielen Fällen nur Schlußfolgerungen ziehen, die für eine ganze Galaxie gelten. „Die meisten anderen Galaxien, die Webb uns gezeigt hat, sind nicht vergrößert oder ge-streckt und wir können die ‘Bausteine’ nicht einzeln sehen. Bei der Galaxie Firefly Sparkle sehen wir, wie eine Galaxie Stein für Stein zusammengesetzt wird“, erklärte Mowla.

Es gibt zwei Begleitgalaxien, die in der Nähe „schweben“, was letztlich Einfluß darauf haben könnte, wie sich diese Galaxie bildet und über Milliarden von Jahren an Masse gewinnt. Firefly Sparkle ist nur etwa 6.500 Lichtjahre von ihrem ersten Begleiter, und 42.000 Lichtjahre von ihrem zweiten Begleiter entfernt. Vergleichen wir diese Zahlen mit Objekten, die näher an unserem Zuhause liegen: Die Sonne ist ungefähr 26.000 Lichtjahre vom Zentrum unserer Milchstraße entfernt, und die Milchstraße hat einen Durchmesser von rund 100.000 Lichtjahren. Diese Begleiter sind nicht nur sehr nah beieinander, die Forscher gehen auch davon aus, daß sie sich gegenseitig umkreisen.

Jedes Mal, wenn eine Galaxie mit einer anderen wechselwirkt, wird das Gas komprimiert, so daß sich neue Sterne in Haufen bilden können. „Es wird seit langem vorhergesagt, daß sich Galaxien im frühen Universum durch aufeinanderfolgende Wechselwirkungen und Verschmelzungen mit anderen, kleineren Galaxien bilden“, erklärt Yoshihisa Asada, Mitautor und Doktorand an der Universität Kyoto in Japan. „Wir könnten Zeuge dieses Prozesses werden.“

Dieses Galaxien-Trio findet sich im Galaxiencluster MACS J1423, der im Rahmen des CLASH-Programms (Cluster Lensing And Supernova Survey with Hubble) vom Hubble-Weltraumteleskop beobachtet wurde. Hubble hat diese Galaxie, die heute als Firefly Sparkle bekannt ist, erstmals aufgenommen. Webb war in der Lage, sieben weitere Sternhaufen aufzulösen, das von Sternen außerhalb der Haufen ausgestrahlte Licht zu erkennen und zwei Begleitgalaxien zu identifizieren, was die Forschung des Teams bereicherte.

Mowla entdeckte die Firefly Sparkle Galaxie, als sie den CAnadian NIRISS Unbiased Cluster Survey (CANUCS) des Webb-Satelliten unter die Lupe nahm, der Nahinfrarot-Bilder der NIRCam (Near-Infrared Camera) und Spektren des Mikroshutter-Arrays an Bord des NIRSpec (NearInfrared Spectrograph) enthält. Sie fühlte sich von den leuchtenden Sternhaufen angezogen, denn funkelnde Objekte deuten normalerweise auf Dinge hin, die extrem klumpig und kompliziert sind. Da die Galaxie wie ein „Funkeln“ oder ein Schwarm von Glühwürmchen in einer warmen Sommernacht aussieht, gab das Team ihr den Spitznamen „Firefly Sparkle“ Galaxie.

Galaxiencluster MACS J1423 (NIRCam Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): MACS J1423.8+2404
• Objektbeschreibung: Galaxiencluster
• Rektaszension: 14:23:47.79
• Deklination: +24:05:04.64
• Sternbild: Boötes
• Entfernung: Galaxiencluster ist 5 Milliarden Lichtjahre entfernt
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 2,3 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 Wellenlängenbereich zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuordnung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem monochromatischen (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: Tausende von schimmernden Galaxien sind durch ihre eigene Schwerkraft miteinander verbunden und bilden einen gewaltigen Galaxiencluster, der offiziell als MACS J1423 klassifiziert ist.

Das größte helle weiße Oval ist eine übergroße elliptische Galaxie und das dominierende Mitglied dieses Galaxienclusters. Der Cluster wirkt wie eine Linse, die das Licht von Objekten, die weit hinter ihm liegen, vergrößert und verzerrt – ein Effekt, der als Gravitationslinseneffekt bekannt ist und für die Forschung von großem Nutzen ist. Astronomen können die durch den Gravitationslinseneffekt verstärkten Galaxien wie die Firefly Sparkle Galaxie im Detail untersuchen.

Dieses Bild aus dem Jahr 2023 stammt von der NIRCam (Nahinfrarotkamera) des James-Webb-Weltraumteleskops. Die Forscher nutzten Webb, um dasselbe Feld zu vermessen, das das Hubble-Weltraumteleskop 2010 aufgenommen hatte. Aufgrund seiner Spezialisierung auf hochaufgelöste Nahinfrarotbilder konnte Webb den Forschern viel mehr Galaxien mit weitaus mehr Einzelheiten zeigen.

Die Webb-Beobachtung ist Teil der CAnadian NIRISS Unbiased Cluster Survey (CANUCS), einer Folgeuntersuchung des Programms „Cluster Lensing And Supernova Survey with Hubble” (CLASH), bei dem die Wide Field Camera 3 (WFC3) von Hubble eingesetzt wurde.

Abbildung der Firefly Sparkle Galaxie im frühen Universum (Künstlerischer Entwurf)

Über das Bild: Diese Illustration zeigt eine Rekonstruktion, wie die Firefly Sparkle Galaxie ungefähr 600 Millionen Jahre nach dem Urknall aussah, wenn sie nicht durch einen natürlichen Effekt, den Gravitationslinseneffekt, langgezogen und verzerrt worden wäre. Dieses Konzept basiert auf Bildern und Daten des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA.

Ein Forschungsteam unter Leitung von Lamiya Mowla, Assistenzprofessorin am Wellesley College in Massachusetts, geht davon aus, daß diese Galaxie wie ein länglicher Regentropfen aussieht, mit einem Paar Sternhaufen im gestreckten oberen Bereich und acht im unteren Bereich. Die Sterne sind von diffusem Licht weiterer, nicht aufgelöster Sterne umgeben, die außerhalb der Sternhaufen liegen.

Die Forscher stellten auch fest, daß der Großteil der Masse in der Galaxie in den Sternhaufen liegt, die hier in Rosa-, Lila- und Blautönen erscheinen – und nicht in den verstreuten Sternen, die die Sternhaufen umgeben.

Die Farben sind ein Hinweis darauf, daß die Sternentstehung in dieser Galaxie nicht auf einmal erfolgt ist. Stattdessen fand sie zeitlich gestaffelt statt. „In diesem Stadium der Galaxienbildung gibt es junge Sterne und etwas jüngere Sterne“, erklärt Kartheik Iyer, Mitglied des Teams und NASA Hubble-Stipendiat an der Columbia University. „Man nimmt an, daß Galaxien, die in der Frühzeit des Universums existierten, extreme Ausbrüche der Sternentstehung aufweisen.“

Im Laufe von Milliarden von Jahren kann sich ein größerer Teil der Masse der Galaxie in einer zentralen Ausbuchtung oder einer dünnen, abgeflachten Scheibe absetzen – aber es ist nicht möglich, genau vorherzusagen, wie sich diese Form entwickeln wird.

Die Spektren von Webb bestätigten, daß diese Galaxie noch zu den leichteren Galaxien gehört und in die Kategorie der massearmen Galaxien fällt. Es werden Milliarden von Jahren vergehen, bis die Firefly Sparkle Galaxie ihr volles Gewicht und ihre eigenständige Architektur entwickelt hat. Die derzeitige Masse von Firefly Sparkle entspricht in etwa der Masse unserer Milchstraße, als diese sich in der gleichen Entwicklungsphase befand.

Galaxiencluster MACS J1423 (NIRCam Kompass-Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): MACS J1423.8+2404
• Objektbeschreibung: Galaxiencluster
• Rektaszension: 14:23:47.79
• Deklination: +24:05:04.64
• Sternbild: Boötes
• Entfernung: Galaxiencluster ist 5 Milliarden Lichtjahre entfernt
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von etwa 2,3 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 Wellenlängenbereich zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuordnung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem monochromatischen (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: Dieses Bild des Galaxienclusters MACS J1423, das von der NIRCam (Nahinfrarotkamera) des James-Webb-Weltraumteleskops aufgenommen wurde, zeigt Kompasspfeile, einen Maßstabsbalken und einen Farbschlüssel zur Orientierung.

Die Kompasspfeile nach Norden und Osten zeigen die Ausrichtung des Bildes am Himmel an.

Der Maßstabsbalken ist in Bogensekunden angegeben, einem Maß für die Winkelentfernung am Himmel. 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 ungefähr 30 Bogenminuten). Die tatsächliche Größe eines Objekts, das eine Bogensekunde am Himmel bedeckt, hängt von seiner Entfernung zum Teleskop ab.

Dieses Bild zeigt unsichtbare Nahinfrarot-Wellenlängen, die in Farben des sichtbaren Lichts umgewandelt wurden. Der Farbschlüssel zeigt, welche NIRCam-Filter bei der Aufnahme 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 hindurchgeht.