Eine Spektralanalyse der leuchtenden Galaxie JADES-GS-z14-0 auf Grundlage von Beobachtungen vom Januar 2024 ergab eine Rotverschiebung von 14.32, was sie zur am weitesten entfernten bekannten Galaxie macht (die zuvor am weitesten entfernte bekannte Galaxie war JADES-GS-z13-0 mit einer Rotverschiebung von z = 13.2). Sie entstand im frühen Universum etwa 290 Millionen Jahre nach dem Urknall. Die reichliche Menge an Sternenlicht lässt darauf schließen, dass sie massereich ist und einen Durchmesser von über 1,600 Lichtjahren hat. Eine derart leuchtende, massereiche und große Galaxie im frühen Universum in der Morgendämmerung des Kosmos widerspricht dem derzeitigen Verständnis der Galaxienentstehung. Die ersten Sterne im Universum waren Pop-III-Sterne mit keinem oder extrem niedrigem Metallgehalt. Untersuchungen der Infraroteigenschaften der Galaxie JADES-GS-z14-0 zeigen jedoch das Vorhandensein von Sauerstoff, was auf eine Metallanreicherung hindeutet, was wiederum bedeutet, dass Generationen massereicher Sterne ihren Lebensverlauf von der Geburt bis zur Supernova-Explosion im frühen Universum bereits etwa 290 Millionen Jahre zuvor abgeschlossen hatten. Daher stehen die Eigenschaften dieser Galaxie im Widerspruch zum gegenwärtigen Verständnis der Galaxienentstehung im frühen Universum.
Das sehr frühe Universum, etwa 380,000 Jahre nach dem Urknall, war mit ionisierten Gasen gefüllt und aufgrund der Streuung von Photonen durch die freien Elektronen völlig undurchsichtig. Darauf folgte die neutrale Epoche des frühen Universums, die etwa 400 Millionen Jahre dauerte. In dieser Epoche war das Universum neutral und transparent. Das erste Licht entstand, als das Universum transparent wurde, wurde aufgrund der Expansion in den Mikrowellenbereich rotverschoben und wird jetzt als kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) beobachtet. Da das Universum mit neutralen Gasen gefüllt war, wurde kein optisches Signal emittiert (deshalb wird es als dunkles Zeitalter bezeichnet). Nichtionisierte Materialien emittieren kein Licht, was die Untersuchung des frühen Universums der neutralen Epoche erschwert. Die Mikrowellenstrahlung mit 21 cm Wellenlänge (entspricht 1420 MHz), die während dieser Epoche vom kalten, neutralen kosmischen Wasserstoff aufgrund des Hyperfeinübergangs vom parallelen Spin zum stabileren antiparallelen Spin emittiert wurde, bietet den Astronomen jedoch Möglichkeiten. Diese 21 cm Mikrowellenstrahlung würde beim Erreichen der Erde rotverschoben und würde bei Frequenzen von 200 MHz bis 10 MHz als Radiowellen beobachtet werden. REACH (Radioexperiment zur Analyse von kosmischem Wasserstoff) Ziel des Experiments ist die Entdeckung einer schwer fassbaren 21-cm-Linie von kosmischem Wasserstoff.
Die Epoche der Reionisierung war die nächste Epoche in der Geschichte des frühen Universums, die von etwa 400 Millionen Jahren nach dem Urknall bis zu 1 Milliarde Jahren dauerte. Die Gase wurden durch die hochenergetischen UV-Strahlungen der starken frühen Sterne reionisiert. Die Entstehung von Galaxien und Quasaren begann in dieser Epoche. Die Lichter dieser Epoche sind in Richtung Rot und Infrarot verschoben. Die Tiefenfeldstudien des Huble-Teleskops waren ein Neuanfang in der Erforschung des frühen Universums, allerdings war ihr Umfang bei der Erfassung primordialer Lichter begrenzt. Ein Infrarot-Observatorium im Weltraum war erforderlich. Das JWST ist ausschließlich auf Infrarot-Astronomie spezialisiert, um Erforsche das frühe Universum.
James Webb Weltraumteleskop (JWST) wurde am 25. Dezember 2021 gestartet. Anschließend wurde tt in eine Umlaufbahn nahe dem Lagrange-Punkt L2 der Sonne-Erde-Achse gebracht, etwa 1.5 Millionen km von der Erde entfernt. Im Juli 2022 wurde es voll betriebsbereit. Mithilfe wichtiger wissenschaftlicher Instrumente an Bord wie NIRCam (Near Infrared Camera), NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) und MIRI (Mid-Infrared Instrument) sucht JWST nach optischen/infraroten Signalen von frühen Sternen und Galaxien im Universum, um die Entstehung und Entwicklung von Galaxien sowie die Entstehung von Sternen und Planetensystemen besser zu verstehen. In den letzten zwei Jahren hat es faszinierende Ergebnisse bei der Erforschung der kosmischen Morgenröte (d. h. der Zeit in den ersten paar hundert Millionen Jahren nach dem Urknall, in der die ersten Galaxien geboren wurden) erzielt.
JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)-Programm
Ziel dieses Programms ist es, die Entwicklung von Galaxien von hoher Rotverschiebung bis zum kosmischen Mittag mittels Infrarotbildgebung und Spektroskopie in den tiefen Feldern GOODS-S und GOODS-N zu untersuchen.
Im ersten Jahr stießen die JADES-Forscher auf Hunderte von Kandidatengalaxien aus den ersten 650 Millionen Jahren nach dem Urknall. Anfang 2023 fanden sie in ihrem Datensatz eine Galaxie, die eine Rotverschiebung von 14 aufwies, was darauf hindeutet, dass es sich um eine extrem weit entfernte Galaxie handeln muss, aber sie war sehr hell. Außerdem schien sie aufgrund der Nähe Teil einer anderen Galaxie zu sein. Daher beobachteten sie diesen Anstieg im Oktober 2023. Die neuen Daten stützten die Annahme einer Rotverschiebung von 14. Ein Spektrum dieser Galaxie war erforderlich, um den Ort des Lyman-Alpha-Bruchs im Spektrum zu identifizieren, die Rotverschiebung zu messen und das Alter zu bestimmen.
Lyman-Alpha ist eine spektrale Emissionslinie von Wasserstoff in der Lyman-Serie, wenn Elektronen von n=2 nach n=1 übergehen. Der Punkt des Lyman-Alpha-Bruchs im Spektrum entspricht der beobachteten Wellenlänge (λbeobachtet). Die Rotverschiebung (z) kann nach der Formel berechnet werden z = (λbeobachtet – λRuhe) / λRuhe
JADES-GS-z14-0 Galaxie
Dementsprechend wurde die Galaxie im Januar 2024 erneut mit NIRCam (Near Infrared Camera) und NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) beobachtet. Die Spektralanalyse lieferte klare Beweise dafür, dass die Galaxie eine Rotverschiebung von 14.32 aufwies, was sie zur am weitesten entfernten bekannten Galaxie macht (früherer Rekord für die am weitesten entfernte Galaxie (JADES-GS-z13-0 bei der Rotverschiebung von z = 13.2). Sie wurde JADES-GS-z14-0 genannt, eine leuchtende Galaxie in einer Entfernung von 13.5 Milliarden Lichtjahren. Außerdem war sie über 1,600 Lichtjahre groß, was darauf hindeutet, dass junge Sterne die Quelle ihrer Leuchtkraft sind. Außerdem bedeutete die Menge an Sternenlicht, dass sie sehr massereich sein muss. Es ist nicht zu erwarten, dass eine Galaxie, die weniger als 300 Millionen Jahre nach dem Urknall existiert, solche Eigenschaften hat. Sie passt nicht gut in bestehende Modelle der Galaxienentstehung.
Es hielten noch weitere Überraschungen bereit.
Mithilfe von MIRI (Mid-Infrared Instrument) konnten Forscher JADES-GS-z14-0 bei längeren Wellenlängen entdecken. Dabei wurden Emissionen im sichtbaren Lichtbereich dieser Galaxie erfasst, die so weit in den roten Bereich verschoben waren, dass sie für Nahinfrarotinstrumente unerreichbar lagen. Die Analyse ergab das Vorhandensein von ionisiertem Sauerstoff, was auf eine hohe stellare Metallizität hindeutet. Dies ist nur möglich, wenn bereits viele Generationen von Sternen ihr Leben gelebt haben.
Die ersten Sterne im Universum haben keinen oder nur einen sehr geringen Metallgehalt. Sie werden Pop-III-Sterne oder Population-III-Sterne genannt. Sterne mit geringem Metallgehalt sind Pop-II-Sterne. Junge Sterne haben einen hohen Metallgehalt und werden „Pop-I-Sterne“ oder solare Metallsterne genannt. Mit einem relativ hohen Metallgehalt von 1.4 % ist die Sonne ein junger Stern. In der Astronomie gilt jedes Element, das schwerer als Helium ist, als Metall. Chemische Nichtmetalle wie Sauerstoff, Stickstoff usw. sind im kosmologischen Kontext Metalle. Sterne werden in jeder Generation nach einem Supernova-Ereignis mit Metall angereichert. Ein steigender Metallgehalt in Sternen weist auf ein jüngeres Alter hin.
Da die Galaxie JADES-GS-z14-0 weniger als 300 Millionen Jahre nach dem Urknall alt ist, sollten die Sterne in dieser Galaxie Pop-III-Sterne ohne Metallgehalt sein. MIRI des JWST hat jedoch Sauerstoff nachgewiesen.
Angesichts der oben genannten Beobachtungen und Erkenntnisse entsprechen die Eigenschaften der Galaxie JADES-GS-z14-0 aus dem frühen Universum nicht dem aktuellen Verständnis der Galaxienentstehung. Wie könnte eine Galaxie mit solchen Merkmalen auf 290 Millionen Jahre nach dem Urknall datiert werden? Es ist möglich, dass in Zukunft viele solcher Galaxien entdeckt werden. Vielleicht existierte bei der kosmischen Morgendämmerung eine Vielfalt von Galaxien.
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References:
- Carniani, S., et al. 2024. Spektroskopische Bestätigung zweier leuchtender Galaxien bei einer Rotverschiebung von 14. Nature (2024). Veröffentlicht am 24. Juli 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Preprint bei axRiv. Eingereicht am 28. Mai 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485
- Helton JM, et al 2024. JWST/MIRI-Photometrische Detektion des Sternkontinuums und der Nebelemission in einer Galaxie bei z>7.7 bei 14 μm. Preprint bei axRiv. Eingereicht am 28. Mai 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462
- Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA. Erste Highlights – Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA findet die am weitesten entfernte bekannte Galaxie. Gepostet am 30. Mai 2024. Verfügbar unter https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy
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