Mit dem James Webb Space Telescope (JWST) haben Astronomen Sternhaufen im Bogen „kosmischer Juwelen“ entdeckt, die nur 460 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten. Dies stellt die erste Entdeckung von Sternhaufen in einer neugeborenen Galaxie dar, wie es der Fall war, als das 13,8 Milliarden Jahre alte Universum weniger als 500 Millionen Jahre alt war.
Der Cosmic Gem Arc, ursprünglich vom Hubble-Weltraumteleskop entdeckt und offiziell SPT0615-JD1 genannt, ist eine junge Galaxie mit Gravitationslinsen, etwa 13,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Das bedeutet, dass das Licht dieser Galaxie, das vom James-Webb-Weltraumteleskop beobachtet wird, für etwa 97 % der Lebensdauer des Universums zur Erde gelangt.
Das internationale Astronomenteam, das hinter der Entdeckung stand, hat fünf massereiche junge Sternhaufen im Bogen kosmischer Edelsteine gefunden. Diese Cluster existierten zu einer Zeit, als junge Galaxien intensive Sternentstehungsschübe erlebten und enorme Mengen ultravioletten Lichts aussendeten. Diese Strahlung könnte dafür verantwortlich sein, eine der beiden Hauptphasen in der Entwicklung des Universums auszulösen: die Ära der kosmischen Reionisierung.
Die Untersuchung dieser fünf Sternhaufen kann Astronomen viel über diese frühe Phase des Universums lehren.
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„Es war eine unglaubliche Überraschung und Erstaunen, als wir die JWST-Bilder zum ersten Mal öffneten“, sagte Angela Adamo von der Universität Stockholm und dem Oscar-Klein-Zentrum in Schweden, Teamleiterin. Das sagte er in einer Erklärung. „Wir sahen eine kleine Reihe heller Punkte, die sich von einer Seite zur anderen spiegelten – diese kosmischen Juwelen sind Sternhaufen! Ohne das James-Webb-Weltraumteleskop hätten wir nicht gewusst, dass wir Sternhaufen in einer so jungen Galaxie sehen!“
Die neu entdeckten Sternhaufen im Kosmischen Edelsteinbogen sind aufgrund ihrer massiven und dichten Natur bemerkenswert. Die Dichte der fünf Sternhaufen ist viel größer als die Dichte der nahegelegenen Sternhaufen.
Eine helfende Hand von Einstein
Die Epoche der Reionisierung ist sehr wichtig, weil es die Phase war, in der die ersten Lichtquellen im Universum – frühe Galaxien, Sterne und supermassive Quasare, angetrieben von Schwarzen Löchern – die Energie lieferten, die Elektronen vom neutralen Wasserstoff abspaltete, der das Universum erfüllte .
Die neu entdeckten Sternhaufen befinden sich in einem sehr kleinen Bereich ihrer Galaxie, sind aber für den Großteil des von dieser Galaxie kommenden ultravioletten Lichts verantwortlich, was bedeutet, dass solche Sternhaufen möglicherweise der Hauptgrund für die Reionisierung waren.
Durch die Untersuchung der Reionisierung können Wissenschaftler mehr über die Prozesse erfahren, die großräumige Strukturen im Universum bilden. Dies könnte zeigen, wie die bemerkenswert gleichmäßige Verteilung der Materie in frühen kosmischen Epochen dem hochorganisierten Universum aus Galaxien (und Galaxienhaufen) Platz machte, das Astronomen in späteren kosmischen Epochen sehen.
Genauer gesagt können diese fünf frühen Sternhaufen erklären, wo Sterne entstanden sind und wie sie während der Entstehung des Universums verteilt waren. Das Studienteam sagt, dass dies eine einzigartige Gelegenheit bietet, die Sternentstehung sowie das Innenleben entstehender Galaxien aus einer beispiellosen Entfernung zu untersuchen.
„Die unglaubliche Empfindlichkeit und Winkelauflösung des James Webb-Weltraumteleskops bei Wellenlängen im nahen Infrarot, kombiniert mit der Gravitationslinse, die durch den massiven Galaxienhaufen im Vordergrund entsteht, machten es möglich, dies zu erkennen“, sagte Larry Bradley, Hauptforscher des Beobachtungsprogramms Die Daten wurden erfasst, heißt es in der Erklärung. . „Kein anderes Teleskop kann diese Entdeckung machen.“
Um diese entfernten Objekte so zu sehen, wie sie im frühen Universum waren, nutzt das James Webb-Weltraumteleskop ein Prinzip aus Einsteins Gravitationstheorie von 1915: die allgemeine Relativitätstheorie.
Die Allgemeine Relativitätstheorie legt nahe, dass Objekte mit Masse das Gefüge von Raum und Zeit verzerren, die zu einer vierdimensionalen Einheit namens „Raumzeit“ kombiniert werden. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto stärker ist die Raumzeitverzerrung, die es verursacht.
Wenn Licht von Hintergrundquellen diese Drehung durchläuft, wird sein Weg gekrümmt. Je näher das Licht am krummen Objekt ist, desto gekrümmter wird sein Weg. Dadurch kann das Licht eines einzelnen Objekts einen Beobachter, beispielsweise das James Webb-Weltraumteleskop, mehr als einmal und zu unterschiedlichen Zeiten erreichen.
Das bedeutet, dass Lichtquellen an mehreren Stellen im selben Bild erscheinen können, ihre Position an offensichtliche Positionen verschoben werden kann oder, was noch nützlicher ist, ihr Licht verstärkt wird. Das letztere Phänomen wird „Gravitationslinseneffekt“ genannt, wobei das Objekt zwischen einem entfernten Hintergrundobjekt und der Erde als „Linsenobjekt“ bezeichnet wird.
In diesem Fall ist das Linsenobjekt ein Cluster von Linsengalaxien namens SPT-CL J0615−5746, und die Hintergrundobjekte sind die kosmischen Edelsteine, ihre Sternhaufen und zwei entfernte Linsengalaxien.
„Das Besondere am Cosmic Jewel Arc ist, dass wir dank der Gravitationslinse die Galaxie tatsächlich bis auf Parsec-Maßstäbe auflösen können!“ sagte Adamo.
Wie passen Kugelsternhaufen zusammen?
Eine vielversprechende Folgestudie, die aus den Beobachtungen früher Sternhaufen mit dem James Webb-Weltraumteleskop hervorgegangen ist, befasst sich mit der Bildung von Anordnungen von Sternen, sogenannten „Kugelsternhaufen“. Wie wir in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, sehen können, sind Kugelsternhaufen uralte Überreste intensiver Explosionen der Sternentstehung im frühen Universum.
Wissenschaftler sind sich nicht ganz sicher, wie diese Kugelsternhaufen eng verbundener, durch die Schwerkraft gebundener Sterne zusammenkommen, aber es könnte von Bedeutung sein, dass die massiven, dichten jungen Sternhaufen im kosmischen Edelsteinbogen die frühen Stadien der Kugelsternhaufenbildung sind. Dies bedeutet, dass sie einen unglaublich nützlichen Einblick in die frühen Stadien der Entstehung von Kugelsternhaufen bieten könnten.
Diese fünf Sternhaufen können auch zum Verständnis anderer Aspekte der kosmischen Entwicklung beitragen.
„Die hohe Sterndichte in den Clustern liefert uns erste Hinweise auf die in ihnen ablaufenden Prozesse und gibt neue Einblicke in die mögliche Entstehung sehr massereicher Sterne und der Keime von Schwarzen Löchern, die beide für die Entwicklung von Galaxien wichtig sind.“ .“ Er sagte.
Die Untersuchung des kosmischen Juwelenbogens wird fortgesetzt, wobei das Team hinter dieser Forschung bereits plant, diese frühe Galaxie mit den Instrumenten Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec) und Mittelinfrarotinstrument (MIRI) des JWST während des dritten Zyklus des 10-Dollar-Betriebs des Weltraumteleskops zu beobachten . Milliarden Dollar. .
„NIRSpec-Beobachtungen werden es uns ermöglichen, die Rotverschiebung der Galaxie zu bestätigen und die ultraviolette Emission der Sternhaufen zu untersuchen, die zur detaillierteren Untersuchung ihrer physikalischen Eigenschaften verwendet werden wird“, sagte Bradley. „MIRI-Beobachtungen werden es uns ermöglichen, die Eigenschaften von ionisiertem Gas zu untersuchen.“
Diese spektroskopischen Beobachtungen sollen zeigen, wie intensiv die Sternentstehung in den aktiven Zentren dieser jungen Galaxie ist.
Die Astronomen hinter dieser Studie wollen nun auch andere Galaxien untersuchen, um nach Sternhaufen zu suchen, die diesen fünf ähneln.
„Ich bin zuversichtlich, dass es im frühen Universum noch andere Systeme wie dieses darauf wartet, entdeckt zu werden, die es uns ermöglichen, unser Verständnis früher Galaxien zu verbessern“, sagte Teammitglied Eros Vanzella vom National Institute for Astrophysics (INAF).
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Montag (24. Juni) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
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