„Cosmic Lighthouses“ – Webb enthüllt die Geheimnisse des ersten Lichts des Universums

Bahnbrechende Beobachtungen des James Webb-Weltraumteleskops enthüllen die entscheidende Rolle massearmer Galaxien bei der Reionisierung des frühen Universums und stellen bestehende Theorien der kosmischen Evolution in Frage.

Wissenschaftler, die mit Daten des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA arbeiten, haben die ersten vollständigen Spektren einiger der ältesten Sternenlichter im Universum erhalten. Die Bilder liefern das bisher klarste Bild neugeborener Galaxien mit sehr geringer Masse, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall entstanden sind, und legen nahe, dass junge Galaxien eine zentrale Rolle in der kosmischen Entstehungsgeschichte spielen.

Das internationale Forscherteam, darunter zwei Astrophysiker aus Penn State, veröffentlichte kürzlich seine Ergebnisse in der Zeitschrift Natur. Die Spektren zeigen einiges des ersten sichtbaren Lichts aus einer Zeit im Universum, die als Reionisierung bekannt ist und durch die Ankunft der ersten Sterne und Galaxien angetrieben wurde.

Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA aufgenommene Tieffeldbilder lieferten erste Einblicke in extrem lichtschwache Galaxien, die Forscher als starke Kandidaten für Objekte identifiziert haben, die die Reionisierung des Universums auslösten. Bildquelle: Hakim Atiq/Sorbonne University/JWST

Das Uruniversum: Der Übergang von der Dunkelheit zum Licht

Normale Materie im Universum begann als heißer, dichter Nebel, der fast ausschließlich aus Wasserstoff- und Heliumkernen bestand, erklärte Joel Lyga, Assistenzprofessor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State und Autor des Artikels. Als es sich ausdehnte und abkühlte, begannen sich einzelne Protonen und Elektronen zu verbinden und bildeten erstmals neutralen Wasserstoff. Etwa 500 bis 900 Millionen Jahre später die große ExplosionNeutraler Wasserstoff – der im frühen Universum vorherrschte – begann sich wieder in ionisiertes Gas zu zerlegen, was die Bildung von Sternen und Galaxien anregte und den Urnebel aufhob, so dass Licht erstmals ungehindert durch das Universum wandern konnte.

„Etwas wurde ausgelöst und begann, sehr energiereiche Photonen in die Leere zwischen den Galaxien zu pumpen“, sagte Lyga. „Diese Quellen wirkten wie kosmische Leuchtfeuer, die den neutralen Wasserstoffnebel verbrannten. Was auch immer das war, es war so energiereich und anhaltend, dass das gesamte Universum wieder ionisiert wurde.“

Galaxienpioniere: Die Rolle massearmer Galaxien

Durch die Analyse der Spektren kleiner, massearmer Galaxien zeigten Wissenschaftler, dass kleine Galaxien starke Kandidaten für das „Ding“ sind, das das Universum reionisiert, indem es das dichte Urgas um sie herum erhitzt und den zuvor neutralen Wasserstoff ionisiert.

„Wenn andere Galaxien mit geringer Masse im Universum so häufig und lebendig sind wie diese, dann glauben wir, dass wir endlich bei den Leuchtfeuern angekommen sind, die den kosmischen Nebel vernichtet haben“, sagte Lyga. „Sie waren unglaublich aktive Sterne in vielen, vielen kleinen Galaxien.“

Leija fügte hinzu, dass die meisten Galaxien im frühen Universum voraussichtlich relativ klein seien, was die Untersuchung ihrer Häufigkeit und Eigenschaften sehr schwierig mache. Dank eines technologischen Durchbruchs, der durch die einzigartige Kombination der Empfindlichkeit des James-Webb-Weltraumteleskops und des Gravitationslinseneffekts des Abell-Haufens 2744 ermöglicht wurde – nahe Galaxien, die wie kosmische Vergrößerungsgläser wirken, den Raum verzerren und das Licht von Hintergrundgalaxien verstärken – ist es möglich ist es nun möglich, die Häufigkeit kleiner Galaxien und ihre ionisierenden Eigenschaften über eine Milliarde Jahre hinweg zu bestimmen. Das erste Mal im Universum.

„Wir haben herausgefunden, dass es in dieser Epoche der Reionisierung des Universums etwa einhundert zu eins mehr kleine Galaxien als massive Galaxien gibt“, sagte Hakim Atiq, Astrophysiker an der Sorbonne-Universität, Forscher am Pariser Institut für Astrophysik und Erstautor der Arbeit. sagte in einer Pressemitteilung. „Diese neuen Beobachtungen zeigen auch, dass diese kleinen Galaxien eine große Menge ionisierender Photonen produzierten, die das Vierfache der Grundwerte überstieg, die normalerweise für entfernte Galaxien angenommen werden. Das bedeutet, dass der Gesamtfluss ionisierender Photonen, die von diesen Galaxien emittiert werden, den erforderlichen Schwellenwert bei weitem übersteigt.“ zur Reionisierung.“

Kartierung der kosmischen Entwicklung: zukünftige Richtungen

Das Penn State-Team leitete die Modellierung für die UNCOVER-Durchmusterung, die auf den großen Galaxienhaufen im Vordergrund zielte, der kleinere, weiter entfernte Galaxien abbildete. Forscher der Penn State analysierten alle winzigen Lichtpunkte im Scan, um die Eigenschaften des Objekts sowie seine Masse und wahrscheinlichen Entfernungen zu verstehen. Diese Analyse wurde dann als Leitfaden für die detaillierteren JWST-Beobachtungen verwendet, die zu dieser Entdeckung führten, erklärte Lija.

Vor diesen Ergebnissen gab es eine Reihe von Hypothesen, die andere Quellen identifizierten, die für die kosmische Reionisierung verantwortlich sind, wie etwa supermassereiche Schwarze Löcher; Große Galaxien mit einer Masse von mehr als einer Milliarde Sonnenmassen; Und kleine Galaxien mit einer Masse von weniger als einer Milliarde Sonnenmassen. Die Forscher sagten, dass sich die Bestätigung der Hypothese bezüglich massearmer Galaxien aufgrund ihrer geringen Helligkeit als besonders schwierig erwiesen habe. Die neuen Ergebnisse liefern jedoch den bislang klarsten Beweis dafür, dass massearme Galaxien eine zentrale Rolle bei der Reionisierung des Universums spielten.

Die Forscher wollen die Studie nun auf einen größeren Maßstab ausweiten, um sicherzustellen, dass der von ihnen analysierte spezifische Ort die durchschnittliche Verteilung der Galaxien im Universum darstellt. Über den Reionisierungsprozess hinaus liefern ihre Beobachtungen Einblicke in den Prozess der frühen Sternentstehung, wie Galaxien aus Urgas entstanden und wie sie sich zu dem Universum entwickelten, das wir heute kennen.

Referenz: „Die meisten Photonen, die das Universum reionisierten, stammten aus Zwerggalaxien“ von Hakim Atiq, Ivo Lappé, Lukas J. Sedona H. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Vasily Kokorev, John R. Weaver, Gabriel Brammer, Peter van Dokkum, Christina C. Williams, Sam E. Cutler, Robert Feldman, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. Green, Joel Leija, Michael V. Maceda, Adam Muzin, Richard Pan, Casey Papovich und Erika J. Nelson, Themia Nanayakkara und Daniel B. Stark, Mauro Stefanone und Katherine A. Süß, Bingjie Wang und Catherine E. Whitaker, 28. Februar 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07043-6

Bingyi Wang, ein Postdoktorand in der Astrophysik, ist der andere Co-Autor der Studie aus Penn State. Eine vollständige Liste der Autoren und ihrer Institutionen finden Sie im veröffentlichten Artikel. Die Forscher danken für die Finanzierung und Unterstützung durch das französische Nationale Zentrum für Weltraumstudien, das Nationale Programm für Kosmologie und Galaxien, das CEA, das Cosmic Dawn Centre, die Dänische Nationale Forschungsstiftung, den Australian Research Council, NOW und das Rosalind Franklin-Programm des Gemeinsamer Fonds der Europäischen Kommission und Universität Groningen. US-Israel National Science Foundation, US National Science Foundation (NSF), Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Israel und NOIRLabEs wird vom Consortium of Universities for Research in Astronomy im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung mit der NSF verwaltet.