JWST sieht den Beginn des kosmischen Netzes

Das kosmische Netz ist die großräumige Struktur des Universums. Wenn Sie beobachten könnten, wie sich unser Universum vom Urknall bis heute entfaltet, würden Sie sehen, wie sich diese Filamente (und die Hohlräume zwischen ihnen) im Laufe der Zeit bilden. Jetzt haben Astronomen mithilfe des JWST zehn Galaxien gefunden, die nur 830 Millionen Jahre nach Beginn des Universums eine sehr frühe Version dieser Struktur bilden.

Das „kosmische Netz“ begann als Dichteschwankungen im frühen Universum. Einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall verdichtete sich Materie (in Form von Urgas) an den Verbindungsstellen von Platten und Gasfilamenten im frühen Gitter zu Knoten. Diese Knoten und Filamente beherbergten die ersten Sterne und Galaxien. Wenn Astronomen in die Vergangenheit blicken, werden sie natürlich nach frühen Versionen des kosmischen Netzes suchen. Die JWST-Technologie ermöglichte es ihnen, auf die dunklen, undurchsichtigen Dinge zurückzublicken, die es kurz nach dem Urknall gab.

Die zehn Galaxien, die das Team beobachtete, reihen sich in einem dünnen Filament mit einem Durchmesser von drei Millionen Lichtjahren auf, das von einem hellen Quasar zusammengehalten wird. Sein Aussehen überraschte das Team aufgrund seiner Größe und seines Platzes in der kosmischen Geschichte. „Dies ist eine der ältesten filamentösen Strukturen, die Menschen im Zusammenhang mit einem fernen Quasar gefunden haben“, fügte Vig Wang von der University of Arizona in Tucson, der Hauptforscher dieses Programms, hinzu.

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Streben Sie danach, das frühe Universum und das kosmische Netz zu verstehen

Die JWST-Beobachtungen sind Teil eines Überwachungsprogramms namens ASPIRE: A Spectroscopy Survey of Bias Halos in the Reionization Era. Es verwendet Bilder und Spektren von 25 Quasaren, die in der Vergangenheit existierten, als das Universum nach dem „dunklen Zeitalter“ begann aufzuhellen. Die Idee besteht darin, die Entstehung möglichst naher Galaxien sowie die Geburt der ersten Schwarzen Löcher zu untersuchen. Darüber hinaus hofft das Team zu verstehen, wie das frühe Universum mit schwereren Elementen (Metallen) angereichert wurde und wie alles während der Ära der Reionisierung geschah.

ASPIRE-Ziele sind ein wichtiger Teil des Verständnisses des Ursprungs und der Entwicklung des Universums. „Die letzten zwei Jahrzehnte der kosmologischen Forschung haben uns ein solides Verständnis dafür vermittelt, wie sich das kosmische Netz gebildet und entwickelt hat. ASPIRE zielt darauf ab, zu verstehen, wie die Entstehung der ältesten massiven Schwarzen Löcher in unsere aktuelle Geschichte der kosmologischen Strukturbildung einbezogen werden kann“, erklärt Teammitglied Joseph Henawi von der University of California, Santa Barbara.

Konzentrieren Sie sich auf frühe Schwarze Löcher

Quasare locken durch Zeit und Raum. Sie werden von supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben, die zusammen mit leistungsstarken Jets unglaubliche Mengen an Licht und anderen Emissionen erzeugen. Astronomen verwenden sie als Standardkerzen für Entfernungsmessungen sowie zur Untersuchung der riesigen Regionen des Weltraums, durch die Licht geht.

Mindestens acht der Quasare in der ASPIRE-Studie haben Schwarze Löcher, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Die Masse dieser Schwarzen Löcher liegt zwischen 600 Millionen und 2 Milliarden Sonnenmassen. Das ist wirklich sehr groß und wirft viele Fragen zu ihrem schnellen Wachstum auf. Damit sich diese supermassereichen Schwarzen Löcher in so kurzer Zeit bilden können, müssen zwei Kriterien erfüllt sein. Zuerst müssen Sie beginnen, aus einem supermassereichen Schwarzen Loch-„Samen“ zu wachsen. Zweitens müsste dieser Samen, selbst wenn er mit einer Masse begann, die tausend Sonnen entspricht, im Laufe seiner Lebensdauer immer noch eine Million Mal mehr Materie mit der maximal möglichen Geschwindigkeit ansammeln“, erklärte Wang.

Damit diese Schwarzen Löcher so wachsen konnten, brauchten sie viel Treibstoff. Ihre Galaxien waren außerdem sehr massereich, was die monströsen Schwarzen Löcher in ihren Kernen erklären könnte. Diese Schwarzen Löcher saugten nicht nur viel Material an, sondern ihre Abflüsse beeinflussten auch die Sternentstehung. Starke Winde von Schwarzen Löchern können die Sternentstehung in der Muttergalaxie verhindern. „Solche Winde wurden im nahen Universum beobachtet, aber nicht direkt im Zeitalter der Reionisierung“, sagte Yang. „Die Größe des Windes hängt mit der Struktur des Quasars zusammen.“ „In Webbs Beobachtungen sehen wir, dass solche Winde im frühen Universum existierten.“

Warum das Alter?

Wir hören oft von Astronomen, die in das Zeitalter der Reionisierung zurückkehren wollen. Warum ist ein so rätselhaftes Ziel? Es bietet einen Einblick in die Zeit, als sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten. Nach dem Urknall befand sich das junge Universum in einem heißen, dichten Zustand. Wir hören manchmal, dass es sich um die Suppe des Uruniversums handelt. Danach setzte die Expansion ein und die Lage begann sich abzukühlen. Dadurch konnten sich Elektronen und Protonen zu den ersten neutralen Gasatomen verbinden. Es ermöglichte auch die Ausbreitung der Wärmeenergie des Urknalls. Astronomen entdecken diese Strahlung. Im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums ist es rotverschoben. Astronomen nennen es die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB).

Auf dieser Seite des frühen Universums gab es leichte Dichteschwankungen in der expandierenden Materie. Diese Substanz war neutraler Wasserstoff. Es gab noch keine Sterne oder Galaxien. Doch irgendwann begannen diese Regionen mit hoher Dichte unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammenzuklumpen, was dazu führte, dass auch die neutrale Materie zu verklumpen begann. Dies führte zu einem weiteren Zusammenbruch der Regionen mit hoher Dichte, was schließlich zur Geburt der ersten Sterne führte. Sie erhitzten das umgebende Material, wodurch Löcher in die neutralen Zonen gestochen wurden und Licht durchgelassen wurde. Im Wesentlichen ermöglichten diese Löcher (oder Blasen) im Neutralgas der ionisierenden Strahlung, sich weiter durch den Weltraum zu bewegen. Es war der Beginn der Ära der Reionisierung. Eine Milliarde Jahre nach dem Urknall war das Universum vollständig ionisiert.

Wie erklären Sie also die frühen supermassiven Schwarzen Löcher?

Interessanterweise waren die frühen Galaxien, die das JWST entdeckte, zusammen mit ihren Quasaren bereits alle vorhanden, mit supermassereichen Schwarzen Löchern in ihren Kernen. Die Hauptfrage bleibt: Wie konnten sie so schnell so groß werden? Ihre Anwesenheit könnte den Astronomen etwas über „zusätzliche Dichten“ im jungen Universum verraten. Erstens benötigt der „Keim“ eines Schwarzen Lochs eine dichte Region voller Galaxien, um sich zu bilden.

Allerdings haben Beobachtungen vor der Entdeckung des JWST bisher nur wenige erhöhte Galaxiendichten um die ältesten supermassereichen Schwarzen Löcher festgestellt. Astronomen müssen in dieser Zeit weitere Beobachtungen machen, um zu erklären, warum. Das ASPIRE-Programm soll dazu beitragen, Fragen zur Rückkopplung zwischen Galaxienentstehung und Schwarzlochentstehung in dieser sehr frühen Ära des Universums zu klären. Unterwegs sollten sie auch weitere Fragmente der großräumigen Struktur des kosmischen Netzes des Universums sehen, das Gestalt annimmt.

für mehr Informationen

Das Web der NASA identifiziert die ersten Stränge des kosmischen Netzes
Bias Halos in the Reionization Era (ASPIRE) Spektroskopische Untersuchung: JWST enthüllt filamentöse Struktur um az = 6,61 Quasar