NASA’s Webb entdeckt dichten kosmischen Knoten im frühen Universum

Originalveröffentlichung am 20.10.2022 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases

Zusammenfassung: Webb setzt seine Suche nach den frühesten Zeiten unseres Universums fort und enthüllt die überraschende Bildung eines massereichen Galaxienclusters um einen energiereichen, roten Quasar

Astronomen, die das frühe Universum erforschen, haben mit NASA‘s James-Webb-Weltraumteleskop eine überraschende Entdeckung gemacht: einen Haufen massereicher Galaxien, der sich gerade um einen extrem roten Quasar bildet. Das Ergebnis wird unser Verständnis darüber erweitern, wie Galaxiencluster im frühen Universum zusammenkamen und das kosmische Netz bildeten, das wir heute sehen.

Astronomen, die das frühe Universum erforschen, haben mit NASA‘s James-Webb-Weltraumteleskop eine überraschende Entdeckung gemacht: einen Haufen massereicher Galaxien, der sich gerade um einen extrem roten Quasar bildet. Das Ergebnis wird unser Verständnis darüber erweitern, wie Galaxienhaufen im frühen Universum zusammenkamen und das kosmische Netz bildeten, das wir heute sehen.

Ein Quasar, eine besondere Form eines aktiven galaktischen Kerns (AGN), ist eine kompakte Region mit einem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum einer Galaxie. Gas, das in ein supermassereiches Schwarzes Loch fällt, macht den Quasar so hell, daß er alle Sterne der Galaxie überstrahlt.

Der von Webb untersuchte Quasar mit der Bezeichnung SDSS J165202.64+ 172852.3 existierte vor 11,5 Milliarden Jahren. Er ist ungewöhnlich rot, aber nicht nur wegen seiner intrinsischen roten Farbe, sondern auch, weil das Licht der Galaxie durch ihre große Entfernung rotverschoben wurde. Daher ist Webb mit seiner unvergleichlichen Empfindlichkeit im infraroten Wellenlängenbereich perfekt geeignet, um die Galaxie im Detail zu untersuchen.

Dieser Quasar ist einer der energiereichsten bekannten galaktischen Kerne, die in einer so extremen Entfernung beobachtet wurden. Astronomen hatten spekuliert, daß die extreme Emission des Quasars einen „galaktischen Wind“ verursachen könnte, der ungebundenes Gas aus seiner Wirtsgalaxie herausdrückt und dort die zukünftige Sternbildung eventuell stark beeinflußt.

Um die Bewegung von Gas, Staub und stellarem Material in der Galaxie zu untersuchen, nutzte das Team den Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) des Teleskops. Dieses leistungsstarke Instrument nutzt eine Technik namens Spektroskopie, um die Bewegung der verschiedenen Ausströmungen und Winde um den Quasar zu untersuchen. NIRSpec kann gleichzeitig Spektren über das gesamte Sichtfeld des Teleskops sammeln, anstatt nur schrittweise Punkt für Punkt. So kann Webb den Quasar, seine Galaxie und die weitere Umgebung gleichzeitig untersuchen.

Frühere Untersuchungen mit NASA‘s Hubble-Weltraumteleskop und anderer Observatorien hatten die Aufmerksamkeit auf die starken Ausströmungen des Quasars gelenkt, und die Astronomen hatten spekuliert, daß seine Wirtsgalaxie mit einem unsichtbaren Partner verschmelzen könnte. Das Team hatte jedoch nicht damit gerechnet, daß die NIRSpec-Daten von Webb eindeutig darauf hinweisen würden, daß es sich nicht nur um eine Galaxie handelt, sondern um mindestens drei weitere, die um sie herum wirbeln. Dank der Spektren über eine große Region konnten die Bewegungen von all dem umgebenden Materials kartiert werden, was zu der Schlußfolgerung führte, daß der rote Quasar tatsächlich Teil eines dichten Knotens bei der Galaxienbildung war.

„Zu diesem frühen Zeitpunkt sind nur wenige Galaxien-Protocluster bekannt. Es ist schwer, sie zu finden, und nur sehr wenige hatten seit dem Urknall Zeit, sich zu bilden“, sagte die Astronomin Dominika Wylezalek von der Universität Heidelberg in Deutschland, die die Studie mit Webb leitete. „Dies könnte uns letztlich helfen zu verstehen, wie sich Galaxien in dichten Umgebungen entwickeln. Das ist ein aufregendes Ergebnis.“

Mit den Beobachtungen von NIRSpec konnte das Team drei galaktische Begleiter dieses Quasars bestätigen und zeigen, wie sie miteinander verbunden sind. Archivdaten von Hubble deuten darauf hin, daß es noch mehr sein könnten. Bilder von Hubble‘s Wide Field Camera 3 zeigten ausgedehntes Material, das den Quasar und seine Galaxie umgibt, was zur Auswahl des Quasars für diese Studie über seine Ausströmung und die Auswirkungen auf seine Wirtsgalaxie führte. Jetzt vermutet das Team, daß es sich um den Kern eines ganzen Galaxienhaufens handeln könnte, der durch die scharfen Bilder von Webb erst jetzt offenbar wird.

Die drei bestätigten Galaxien umkreisen einander mit unglaublich hohen Geschwindigkeiten, was darauf hindeutet, daß eine große Menge an Masse vorhanden ist. In Kombination mit der dichten Anordnung der Galaxien in der Region um den Quasar glaubt das Team, daß dies eines der dichtesten Gebiete der Galaxienbildung im frühen Universum darstellt, die man bisher kennt. „Selbst ein dichter Knoten aus Dunkler Materie reicht nicht aus, um dies zu erklären“, sagt Wylezalek. „Wir vermuten, daß wir eine Region sehen könnten, in der zwei massereiche Halos aus Dunkler Materie miteinander verschmelzen.“ Dunkle Materie ist eine unsichtbare Komponente des Universums, die Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhält und vermutlich einen „Halo“ bildet, der sich über die Sterne in diesen Strukturen hinaus erstreckt.

Die von Wylezaleks Team durchgeführte Studie ist Teil der Untersuchungen von Webb zum frühen Universum. Mit seiner beispiellosen Fähigkeit, in die Vergangenheit zu blicken, wird das Teleskop bereits eingesetzt, um zu untersuchen, wie die ersten Galaxien entstanden sind und sich entwickelt haben und wie Schwarze Löcher entstanden sind und die Struktur des Universums beeinflußt haben. Das Team plant Folgebeobachtungen dieses unerwarteten Galaxien-Protohaufens und hofft, damit zu verstehen, wie sich dichte, chaotische Galaxienhaufen wie dieser bilden und wie sie von dem aktiven, supermassereichen Schwarzen Loch in seinem Herzen beeinflusst werden.

Diese Ergebnisse werden in der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters 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 Weltraumorganisation).

Bewegungen von Gas um einen extrem roten Quasar (NIRSpec IFU)

NASA, ESA, CSA, STScI
IMAGE PROCESSING: Leah Hustak (STScI)

Fast Facts
Objekt
Objektname(n): SDSS J165202.64+172852.3
Rektaszension: 16:52:02.64
Deklination: +17:28:52.3
Sternbild: Hercules

Über das Bild: Links ist der Quasar SDSS J165202.64+172852.3 in einer Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops im sichtbaren und nahen Infrarotlicht hervorgehoben. Die Bilder rechts und unten zeigen neue Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops in verschiedenen Wellenlängen. Sie zeigen die Verteilung und Bewegung des Gases in einem neu beobachteten Galaxienhaufen um den zentralen Quasar.

Das Bild rechts besteht aus vier Schmalbandbildern, aufgenommen im Integralfeld-Spektroskopiemodus des Webb NIRSpec-Instruments. Alle vier Schmalbandbilder zeigen Licht von doppelt ionisierten Sauerstoffatomen.

In den unteren Feldern sind die vier Schmalbandbilder getrennt dargestellt. Jede Farbe gibt die relative Geschwindigkeit des ionisierten Sauerstoffgases im Galaxienhaufen wieder. Je röter die Farbe, desto schneller bewegt sich das Gas relativ zum Quasar auf unserer Sichtlinie von uns weg, während es sich relativ zum Quasar umso schneller auf uns zu bewegt, je blauer die Farbe ist. Die Farbe Grün zeigt an, daß sich das Gas auf unserer Sichtlinie im Vergleich zum Quasar stationär ist.