Webb und ALMA untersuchen gemeinsam die Urgalaxie

Eine der aufregendsten Entwicklungen in der modernen Astronomie ist, wie Astronomen jetzt die frühesten Galaxien im Universum beobachten und studieren können. Dies ist auf Observatorien der nächsten Generation wie das James Webb Space Telescope (JWST) mit seinen ausgeklügelten Infrarot-Instrumenten und Spektrometern sowie Fortschritte in der Interferometrie zurückzuführen, eine Technik, die mehrere Lichtquellen kombiniert, um ein klareres Bild von astronomischen Objekten zu erhalten. Dank dieser Beobachtungen können Astronomen mehr darüber erfahren, wie sich die frühesten Galaxien im Universum zu dem entwickelt haben, was wir heute sehen.

Mit Webb und dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) konnte ein internationales Team um Forscher des National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) erfolgreich atomare Übergänge aus der Galaxie GHZ2 (aka GLASS z12) nachweisen, die 13,4 Milliarden Lichtjahre entfernt liegt. Ihre Studie setzte nicht nur einen neuen Rekord für die entfernteste Detektion dieser Elemente. Dies ist das erste Mal, dass solche Emissionen in mehr als 13-Milliarden Lichtjahren entfernten Galaxien nachgewiesen wurden und bietet erste direkte Einblicke in die Eigenschaften der frühesten Galaxien im Universum.

Die Galaxie wurde erstmals im Juli 2022 durch das Beobachtungsprogramm Grism Lens Amplified Survey from Space (GLASS) mit Hilfe der Nahinfrared Camera (NIRCam) JWST identifiziert. Einen Monat später bestätigten Folgebeobachtungen von ALMA, dass die Galaxie eine spektrographische Rotverschiebung von mehr als z,12 hatte, was sie zu einer der frühesten und entferntesten Galaxien machte, die jemals beobachtet wurden. Die exquisiten Beobachtungen beider Observatorien haben es Astronomen ermöglicht, neue Einblicke in die Natur der frühesten Galaxien im Universum zu gewinnen.

“Wir haben die mehr als vierzig 12-m-Antennen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und des 6,5 m James Webb Space Telescope (JWST) für mehrere Stunden an eine Himmelsposition gerichtet, die für das bloße menschliche Auge völlig leer erscheinen würde, um ein Signal von einem der bisher entferntesten astronomischen Objekte zu fangen. Und [wir] haben erfolgreich die Emission von angeregten Atomen verschiedener Elemente wie Wasserstoff und Sauerstoff aus einer Epoche entdeckt, die noch nie erreicht wurde. Die Charakterisierung der physikalischen Eigenschaften entfernter Galaxien ist für Tests unserer aktuellen Galaxienbildung und -entwicklung. Allerdings sind sie für detaillierte Beobachtungen und Beobachtungen von astronomischen Elementen unerlässlich.

Die ALMA-Beobachtungen zeigten jedoch die Emissionslinie, die mit doppelt ionisiertem Sauerstoff (O III) assoziiert ist, was bestätigt, dass die Galaxie etwa 367 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte. In Kombination mit Daten von Webb Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) und Mid Infrared Instrument (MIRI) Instrumenten konnte das Team dieses Objekt effektiv charakterisieren. Basierend auf ihren Beobachtungen entdeckte das Team, dass GHZ2 vor 13,4 Milliarden Jahren extreme Ausbrüche der Sternentstehung erlebte, unter Bedingungen, die sich erheblich von denen unterscheiden, die Astronomen in sternbildenden Galaxien in den letzten Jahrzehnten gesehen haben.

Beispielsweise ist die relative Häufigkeit schwererer Elemente in dieser Galaxie (Metallizität) signifikant geringer als die der meisten untersuchten Galaxien. Dies wurde angesichts des Mangels an schwereren Elementen während des frühen Universums erwartet, als Population III Sterne existierten, die überwiegend aus Wasserstoff und Helium bestanden. Diese Sterne waren massiv, heiß und kurzlebig und dauerten nur wenige Millionen Jahre, bevor sie Supernova wurden. Ähnlich schrieb das Team GHZ2 seinen Population III Sternen eine hohe Leuchtkraft zu, die in weiter entwickelten Galaxien fehlen.

Die gestreuten Sterne des Kugelsternhaufens NGC 6355 sind über dieses Bild des Hubble-Weltraumteleskops der NASA/ESA verstreut. Quelle: ESA/Hubble NASA, E. Noyola, R. Cohen

Diese Leuchtkraft wird durch die Tatsache verstärkt, dass GHZ2, das ein paar hundert Millionen Mal die Masse der Sonne ist, einen Bereich von rund 100 Parseks (325 Lichtjahre) einnimmt. Dies deutet darauf hin, dass die Galaxie eine hohe Sterndichte hat, ähnlich der von Kugelsternhaufen, die in der Milchstraße und benachbarten Galaxien beobachtet werden. Weitere Ähnlichkeiten sind die geringe Metallizität, die anomale Häufigkeit bestimmter Chemikalien, die hohe Sternentstehungsrate, die hohe Oberflächendichte der Sternmasse und vieles mehr. Daher könnte die Untersuchung von Galaxien wie GHZ2 Astronomen helfen, den Ursprung von Kugelsternhaufen zu erklären, was ein Rätsel bleibt.