NASA’s Webb beweist: Galaxien haben das frühe Universum verändert

Originalveröffentlichung am 12.06.2023 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases

Zusammenfassung: Die Sterne der frühen Galaxien ermöglichten die freie Ausbreitung des Lichts, indem sie das intergalaktische Gas erhitzten, ionisierten und so weite Regionen um sich herum aufklarten

Höhlentaucher, die mit hellen Scheinwerfern ausgerüstet sind, erforschen oft Höhlen im Fels, die sich weniger als einen Kilometer unter unseren Füßen befinden. Es ist leicht, diese Höhlensysteme gar nicht zu bemerken – selbst wenn man auf einer Wiese über ihnen sitzt – denn der Felsen zwischen Ihnen und den Höhlentauchern verhindert, daß das Licht ihrer Stirnlampen den idyllischen Nachmittag stört.

Übertragen Sie diese Sichtweise auf die Bedingungen im frühen Universum, aber wechseln Sie bei der Betrachtung von Gestein zu Gas. Nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall war der Kosmos voll von undurchsichtigem Wasserstoffgas, das das Licht von Sternen und Galaxien bei einigen Wellenlängen einfing. Im Laufe der ersten Milliarde Jahre wurde das Gas vollständig transparent und ließ das Licht ungehindert passieren. Forscher suchen seit langem nach eindeutigen Beweisen, um diesen Umschwung zu erklären.

Neue Daten des James-Webb-Weltraumteleskops haben kürzlich die Antwort anhand einer Reihe von Galaxien ([O III]-Linien emittierend als auch dem Quasar SDSS J0100+2802) gefunden, die existierten, als das Weltall nur 900 Millionen Jahre alt war. Die Sterne in diesen Galaxien strahlten ausreichend Licht ab, um das Gas um sie herum zu ionisieren und zu erhitzen, wodurch riesige, transparente „Blasen“ entstanden. Schließlich trafen diese Blasen aufeinander und verschmolzen miteinander, was zu den heutigen klaren und weitläufigen Ansichten führte.

Im frühen Universum war das Gas zwischen den Sternen und Galaxien opak – energiereiches Sternenlicht konnte es nicht durchdringen. Doch 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall war das Gas völlig durchsichtig geworden. Und warum? Neue Daten des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA haben den Grund dafür herausgefunden: Die Sterne der Galaxien haben genug Licht ausgestrahlt, um das Gas um sie herum zu erhitzen und zu ionisieren, so daß unser Rundumblick über Hunderte von Millionen Jahren aufklarte.

Die Ergebnisse eines Forscherteams unter der Leitung von Simon Lilly von der ETH Zürich in der Schweiz sind die neuesten Erkenntnisse über eine Zeitperiode, die als Ära der Reionisation bekannt ist und in der das Universum dramatische Veränderungen durchlief. Nach dem Urknall war das Gas im Universum unglaublich heiß und dicht. Über Hunderte von Millionen von Jahren kühlte das Gas ab. Dann erlebte das Universum eine „Wiederholung“. Das Gas wurde erneut heiß und ionisiert – wahrscheinlich durch die Bildung der ersten Sterne in den Galaxien – und wurde im Laufe der Jahrmillionen durchsichtig.

Forscher haben lange nach eindeutigen Beweisen für die Erklärung dieser Umwandlung gesucht. Mit den neuen Ergebnissen wird der Vorhang am Ende dieser Reionisierungsperiode im Grunde zurückgezogen. „Webb zeigt nicht nur deutlich, daß diese durchsichtigen Regionen um Galaxien herum zu finden sind, sondern wir haben auch gemessen, wie groß sie sind“, erklärt Daichi Kashino von der Universität Nagoya in Japan, Hauptautor der ersten Veröffentlichung des Teams. „Mit Webb’s Daten sehen wir, daß Galaxien das Gas um sie herum reionisieren“.

Diese Regionen aus transparentem Gas sind im Vergleich zu den Galaxien riesig – man stelle sich einen Heißluftballon vor, in dem eine Erbse schwebt. Die Daten von Webb zeigen, daß diese relativ winzigen Galaxien die Reionisierung vorantrieben und riesige Bereiche des Weltraums um sie herum aufklarten. Im Laufe der nächsten hundert Millionen Jahre wuchsen diese transparenten „Blasen“ immer weiter an, bis sie schließlich verschmolzen und das gesamte Universum durchsichtig wurde.

Lilly’s Team wählte absichtlich einen Zeitpunkt kurz vor dem Ende der Ära der Reionisierung, als das Universum noch nicht ganz klar und nicht mehr ganz undurchsichtig war – es enthielt einen Flickenteppich aus Gas in verschiedenen Zuständen. Die Wissenschaftler richteten Webb auf einen Quasar – ein extrem helles, aktives, supermassereiches Schwarzes Loch, das wie eine riesige Taschenlampe wirkt – und hoben das Gas zwischen dem Quasar und unseren Teleskopen hervor. (Sie finden ihn in der Mitte dieser Ansicht: Er ist winzig und rosa mit sechs auffälligen Beugungsspitzen.)

Während sich das Licht des Quasars durch verschiedene Gaswolken auf uns zubewegte, wurde es entweder von undurchsichtigem Gas absorbiert oder durchquerte ungehindert transparentes Gas. Die bahnbrechenden Ergebnisse des Teams waren nur möglich, indem die Daten von Webb mit Beobachtungen des zentralen Quasars vom W. M. Keck-Observatorium auf Hawaii, dem  Magellan-Teleskop des Las Campanas-Observatoriums und dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte, beide in Chile, kombiniert wurden. „Durch die Beleuchtung des Gases entlang unserer Sichtlinie liefert uns der Quasar umfassende Informationen über die Zusammensetzung und den Zustand des Gases“, erklärt Anna-Christina Eilers vom MIT in Cambridge, Massachusetts, Hauptautorin einer weiteren Veröffentlichung des Teams.

Die Forscher nutzten Webb, um Galaxien in der Nähe dieser Sichtlinie zu identifizieren, und zeigten, daß die Galaxien im Allgemeinen von transparenten Regionen mit einem Radius von etwa 2 Millionen Lichtjahren umgeben sind. Mit anderen Worten: Webb beobachtete Galaxien, die am Ende der Ära der Reionisation dabei waren, den Raum um sich herum aufzuhellen. Zum Vergleich: Das Gebiet, das diese Galaxien aufgehellt haben, entspricht in etwa der Entfernung zwischen unserer Milchstraße und unserer nächsten Nachbargalaxie, Andromeda.

Bis jetzt hatten die Forscher keine eindeutigen Beweise für die Ursache der Reionisierung – vor Webb waren sie sich nicht sicher, was genau dafür verantwortlich war.

Wie sehen diese Galaxien aus? „Sie sind chaotischer als die Galaxien im nahen Universum“, erklärt Jorryt Matthee, ebenfalls von der ETH Zürich und Hauptautor der zweiten Arbeit des Teams. „Webb zeigt, daß sie rege Sterne bildeten und viele Supernovae explodiert sein müssen. Sie hatten eine ziemlich abenteuerliche Jugend!“

Auf dem Weg dorthin nutzte Eilers die Daten von Webb, um zu bestätigen, daß das Schwarze Loch in dem Quasar im Zentrum dieses Feldes das massereichste derzeit bekannte im frühen Universum ist, mit dem 10-Milliardenfachen der Masse der Sonne. „Wir können immer noch nicht erklären, wie Quasare in der Lage waren, so früh in der Geschichte des Universums so groß zu werden“, erklärte sie. „Das ist ein weiteres Rätsel, das es zu lösen gilt!“  Die exquisiten Bilder von Webb zeigten auch keine Anzeichen dafür, daß das Licht des Quasars durch Gravitationslinsen gebündelt wurde, was sicherstellt, daß die Massenmessungen endgültig sind.

Das Team wird sich demnächst mit der Erforschung von Galaxien in weiteren fünf Feldern befassen, bei denen jeweils ein Quasar im Zentrum steht. Die Ergebnisse von Webb aus dem ersten Feld waren so überwältigend klar, daß sie es nicht erwarten konnten, sie mitzuteilen. „Wir hatten erwartet, ein paar Dutzend Galaxien zu identifizieren, die während der Ära der Reionisierung existierten – aber wir waren leicht in der Lage, 117 herauszufiltern“, erklärte Kashino. „Webb hat unsere Erwartungen übertroffen.“

Lilly’s Forschungsteam, das Emissionline galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization (EIGER), hat die einzigartige Fähigkeit gezeigt, herkömmliche Bilder von Webb’s NIRCam (Nahinfrarotkamera) mit Daten aus dem spaltlosen Weitfeld-Spektroskopiemodus desselben Instruments zu verknüpfen, das ein Spektrum jedes Objekts auf den Bildern liefert – was Webb zu einer „eindrucksvollen spektroskopischen Rotverschiebungsmaschine“ macht, wie das Team es nennt.

Zu den ersten Veröffentlichungen des Teams gehören:

„EIGER. I. A Large Sample of [O III]-emitting Galaxies at 5.3< z< 6.9 and Direct Evidence for Local Reionization by Galaxies“ unter der Leitung von Kashino

„EIGER. II. First Spectroscopic Characterization of the Young Stars and Ionized Gas Associated with Strong Hβ and [O III] Line Emission in Galaxies at z= 5–7 with JWST“ unter der Leitung von Matthee und

„EIGER. III. JWST/NIRCam Observations of the Ultraluminous High-redshift Quasar J0100+2802“ unter der Leitung von Eilersund werden am 12. Juni im Astrophysical Journal veröffentlicht.

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 Weltraum-organisation).

Quasar J0100+2802 (NIRCam Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Quasar SDSS J0100+2802, EIGER (Emissionline galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) Survey
• Objektbeschreibung: Deep field survey
• Rektaszension: 01:00:13.02
• Deklination: +28:02:25.8
• Sternbild: Pisces
• Entfernung: 12,8 Milliarden Lichtjahre zum Quasar SDSS J0100+2802
• Abmessung: Das Feld hat einen Durchmesser von etwa 6,7 Bogenminuten
• Daten
• Instrument: NIRCam
• Filter: F115W, F200W, F356W
• Bild
• Farbinformation: Diese Bilder sind 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 Zuordnung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem mono-chromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F115W Grün: F200W Rot: F356W

Über das Bild: In diesem Feld gibt es mehr als 20.000 Galaxien. Diese Ansicht des James-Webb-Weltraumteleskops findet sich zwischen den Sternbildern Fische und Andromeda.

Die Webb nutzenden Forscher konzentrierten ihre Beobachtungen auf den Quasar J0100+2802, ein aktives supermasse-reiches Schwarzes Loch, das wie ein Leuchtfeuer wirkt. Es befindet sich in der Mitte des obigen Bildes und erscheint winzig und rosa, mit sechs markanten Beugungsspitzen.

Der Quasar ist so hell, daß er wie eine Taschenlampe wirkt und das Gas zwischen sich und dem Teleskop beleuchtet. Das Team untersuchte 117 Galaxien, die alle etwa 900 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten, und konzentrierte sich dabei auf 59, die vor dem Quasar liegen. Die Forscher konnten nicht nur die Galaxien selbst untersuchen, sondern auch das beleuchtete Gas, das sie umgibt.

Diese Galaxien existierten kurz vor dem Ende der Ära der Reionisation, als das Universum einen Flickenteppich aus Gas enthielt – einige undurchsichtig, andere transparent (oder ionisiert). „Wenn wir in die Zeit der Reionisation zurückblicken, sehen wir eine deutliche Veränderung“, erklärt Simon Lilly von der ETH Zürich in der Schweiz, der dieses Forscherteam leitet. „Galaxien, die aus Milliarden von Sternen bestehen, ionisieren das Gas um sie herum und verwandeln es so effektiv in transparentes Gas.“

Forscher haben lange nach Beweisen gesucht, um zu erklären, was in diesem Zeitraum geschah, als das Universum dramatische Veränderungen erlebte. Nach dem Urknall war das Gas im Universum unglaublich heiß und dicht. Über Hunderte von Millionen von Jahren kühlte das Gas ab. Dann erlebte das Universum eine „Wiederholung“. Das Gas wurde wieder heiß und ionisiert – und durchsichtig.

Die Ergebnisse des Teams definieren die Bedingungen an diesem speziellen „Halt“ in der Geschichte des Universums konkreter. „Webb zeigt nicht nur eindeutig, daß diese transparenten Regionen um Galaxien herum existieren, sondern wir haben auch gemessen, wie groß sie sind“, erklärt Daichi Kashino von der Universität Nagoya in Japan und Hauptautor der ersten Veröffentlichung des Teams. Stellen Sie sich die durchsichtigen Gasregionen wie Heißluftballons vor, in denen Galaxien von der Größe einer Erbse den Raum ausfüllen.

Webb zeigte, dass Galaxien das Gas innerhalb eines Radius von 2 Millionen Lichtjahren vollständig ionisiert haben. Das ist ungefähr die gleiche Entfernung wie der Raum zwischen unserer Milchstraße und unserer nächsten Nachbargalaxie Andromeda. Im Laufe der nächsten hundert Millionen Jahre wurden die Blasen immer größer, bis sie schließlich verschmolzen und das gesamte Universum durchsichtig wurde.

Diese Ergebnisse wurden von Mitgliedern des EIGER-Teams (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) bekannt gegeben. Das Team wird schließlich Bilder und Daten von sechs Feldern haben, von denen jedes auf einen Quasar zentriert ist, aber das erste Bild von Webb’s NIRCam (Nahinfrarotkamera) und die Daten, die als Spektren bekannt sind, sind so genau, daß sie leicht endgültige Schlußfolgerungen ziehen könnten, ohne auf weitere Beobachtungen zu warten.

Entfernte Stichproben von Galaxien in der Nähe des Quasars J0100+2802 (NIRCam Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektbeschreibung: [O III]-Linien emittierende Galaxien
• Rektaszension: 01:00:13.02
• Deklination: +28:02:25.8
• Sternbild: Pisces
• Daten
• Instrument: NIRCam
• Filter: F115W, F200W, F356W
• Bild
• Farbinformation: Diese Bilder sind 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 Zuordnung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem mono-chromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F115W Grün: F200W Rot: F356W

Über das Bild: Das James-Webb-Weltraumteleskop hat außerordentlich detaillierte Bilder und Spektren von Galaxien geliefert, die existierten, als das Universum erst 900 Millionen Jahre alt war. „In den Nahinfrarotbildern von Webb können wir Strukturen in jeder einzelnen Galaxie sehen, die das Teleskop entdeckt hat“, teilte Jorryt Matthee von der ETH Zürich mit. „Webb zeigt uns die abenteuerliche Jugend dieser frühen Galaxien.“

Diese Galaxien sehen chaotischer aus als jene im nahen Universum – sie sind klumpig und oft länglich. Diese Galaxien sind auch jünger und bilden lebhaft Sterne. Die von Webb entdeckten Sterne sind allesamt massereicher, was dazu führen könnte, daß in diesen Galaxien eine Fülle schillernder Supernovae explodiert.

Diese Ergebnisse wurden von Mitgliedern des Teams Emissionline galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization (EIGER) bekannt gegeben. Die NIRCam (Nahinfrarotkamera) von Webb und die als Spektren bekannten Daten halfen dem Team, 117 Galaxien in diesem Feld vollständig zu beschreiben.

Bedingungen während der Ära der Reionisierung (Abbildung)

Über das Bild: Vor mehr als 13 Milliarden Jahren, während der Ära der Reionisation, sah das Universum noch ganz anders aus. Das Gas zwischen den Galaxien war für energiereiches Licht weitgehend undurchlässig, was die Beobachtung junger Galaxien erschwerte. Als sich Sterne und junge Galaxien bildeten und weiterentwickelten, begannen sie, das Gas um sich herum zu verändern. Im Laufe von Hunderten von Millionen Jahren wandelte sich das Gas von neutralem, undurchsichtigem Gas zu ionisiertem, transparentem Gas.

Quasar J0100+2802 (NIRCam Kompass-Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Quasar SDSS J0100+2802, EIGER (Emissionline galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) Survey
• Objektbeschreibung: Deep field survey
• Rektaszension: 01:00:13.02
• Deklination: +28:02:25.8
• Sternbild: Pisces
• Entfernung: 12,8 Milliarden Lichtjahre zum Quasar SDSS J0100+2802
• Abmessung: Das Feld hat einen Durchmesser von etwa 6,7 Bogenminuten
• Daten
• Instrument: NIRCam
• Filter: F115W, F200W, F356W
• Bild
• Farbinformation: Diese Bilder sind 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 Zuordnung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem mono-chromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F115W Grün: F200W Rot: F356W

Über das Bild:

Dieses Bild, das auf den Quasar J0100+2802 zentriert ist und von Webb’s NIRCam (Nahinfrarotkamera) aufgenommen wurde, zeigt Kompasspfeile, einen Maßstabsbalken und einen Farbschlüssel als Referenz.

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. Der Maßstabsbalken ist mit 1 Bogenminute beschriftet.

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. In diesem Bild wurden die Farben Blau, Grün und Rot den NIRCam-Daten bei 1,15, 2 bzw. 3,65 Mikrometer (F115W, F200W und F365W) zugeordnet.