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(Main) Die komplexe Form von Gz9p3 zeigt, dass sie das Ergebnis einer Verschmelzung zwischen Galaxien ist (Inset) Die direkte Bildgebung durch das JWST zeigt, dass Gz9p3 einen doppelten Kern hat, was auf eine noch andauernde Verschmelzung hinweist (Bildnachweis: NASA/Boyett et al)

Was für das Hubble-Weltraumteleskop kaum mehr als ein Lichtfleck war, hat sich als eine der ältesten jemals entdeckten Galaxien entpuppt – und diese Entdeckung verdankt sich niemand anderem als dem jüngeren Geschwisterchen von Hubble: Dem James Webb-Weltraumteleskop.

Die internationale „Glass“-Kollaboration des James-Webb-Weltraumteleskops hat detaillierte Beobachtungen der Galaxie mit der Bezeichnung Gz9p3 gemacht, die nur 510 Millionen Jahre nach dem Urknall zu sehen ist. Das ist in der relativen Frühzeit des Universums, das heute 13,8 Milliarden Jahre alt ist.

Das Team entdeckte, dass Gz9p3, ähnlich wie andere frühe Galaxien, die vom JWST beobachtet wurden, viel massiver und reifer ist, als man es von einer Galaxie im jungen Universum erwartet. In der uralten Zeitspanne, in der sie entdeckt wurde, scheint sie bereits mehrere Milliarden Sterne zu enthalten.

Wenn es um das kosmische Rätsel geht, wie frühe Galaxien so schnell so massiv werden konnten, könnte Gz9p3 ein echtes Rätsel sein. Sie ist nicht nur massereicher als erwartet, sondern auch etwa 10-mal massereicher als andere Galaxien, die das JWST in ähnlichen Epochen der Geschichte des Universums beobachtet hat.

„Noch vor ein paar Jahren erschien Gz9p3 als einzelner Lichtpunkt durch das Hubble-Weltraumteleskop“, schrieb Kit Boyett, Teammitglied und Wissenschaftler an der Universität von Melbourne, in der Publikation Pursuit des Instituts. „Aber mit dem JWST konnten wir dieses Objekt so beobachten, wie es 510 Millionen Jahre nach dem Urknall, also vor etwa 13 Milliarden Jahren, war.“

Gz9p3 ist einfach bemerkenswert. Neben seiner Größe und Reife verrät auch seine Form Hinweise auf seine Entstehung.

Wurde Gz9p3 durch eine frühe Galaxienverschmelzung erzeugt?

Mit Hilfe des JWST und direkter Bildgebung konnte das Team feststellen, dass Gz9p3 eine komplexe Form mit zwei hellen Flecken hat, die seine beiden dichten Kerne erkennen lassen. Dies deutet darauf hin, dass Gz9p3 wahrscheinlich entstand, als zwei frühe Galaxien im jungen Universum zusammenstießen. Diese Kollision könnte zu dem Zeitpunkt, zu dem die Astronomen Gz9p3 mit dem JWST entdeckten, noch im Gange gewesen sein.

„Die JWST-Aufnahmen der Galaxie zeigen eine Morphologie, die typischerweise mit zwei interagierenden Galaxien in Verbindung gebracht wird. Und die Verschmelzung ist noch nicht abgeschlossen, denn wir sehen immer noch zwei Komponenten“, erklärte Boyett. „Wenn sich zwei massereiche Objekte auf diese Weise vereinigen, werfen sie dabei einen Teil der Materie weg. Diese weggeworfene Materie deutet darauf hin, dass es sich bei der von uns beobachteten Verschmelzung um eine der am weitesten entfernten handelt, die je beobachtet wurde.“

Zusätzlich zur Bestimmung von Alter, Masse und Form dieser alten Galaxie konnten Boyett und Kollegen tiefer in Gz9p3 vordringen, um die stellare Population dieser kollidierenden Galaxien zu untersuchen. Da junge Sterne heller sind als ihre älteren Gegenstücke, dominieren sie in der Regel die Bilder von Galaxien, insbesondere von solchen, die so weit entfernt sind, dass ihr Licht seit Milliarden von Jahren zur Erde unterwegs ist.

„Zum Beispiel überstrahlt eine junge, helle Population, die durch die Galaxienverschmelzung entstanden ist und weniger als ein paar Millionen Jahre alt ist, eine ältere Population, die bereits über 100 Millionen Jahre alt ist“, so Boyett weiter.

Die Glass-Kollaboration hat dieses Problem durch spektroskopische Beobachtungen von Gz9p3 und durch die Nutzung direkter Bilder gelöst. Mit Hilfe der Spektroskopie können die Elemente bestimmt werden, aus denen die Sterne bestehen. Da junge und alte Sterne unterschiedliche Zusammensetzungen haben, konnten die Forscher die beiden Kategorien in dieser frühen Galaxie voneinander trennen.

Ein JWST-Bild des Supernova-Todes eines Sterns im frühen Universum, der die umliegenden Galaxien mit den Bausteinen für die nächste Generation von Sternen versorgt hätte. (Bildnachweis: NASA/ESA/CSA/STScI/Justin Pierel (STScI)/Andrew Newman (CIS))

Ältere Sterne haben sich durch den Wasserstoffvorrat in ihren Kernen durchgearbeitet, indem sie ihn bereits zu Helium fusioniert haben und dieses Helium dann zu noch schwereren Elementen fusionieren, die die Astronomen „Metalle“ nennen. Das bedeutet, dass ältere Sterne reicher an Metallen sind als jüngere Sterne, in denen noch Wasserstoff und etwas Helium vorherrschen.

Das Studienteam nutzte das JWST, um bestimmte Elemente in der älteren Sternpopulation von Gz9p3 nachzuweisen. Diese Zielelemente umfassten Silizium, Kohlenstoff und Eisen, wobei letzteres das schwerste Element ist, das von Sternen synthetisiert werden kann. Das bedeutet, dass diese Sterne, als sie in Supernova-Explosionen starben, das frühe Universum mit Metallen angereichert haben. Ein großer Teil dieses Metallgehalts wäre dann zu den Bausteinen der nächsten Generation von Sternen geworden.

Außerdem entdeckte das Team, dass die Population alter Sterne in Gz9p3 viel größer war als bisher angenommen. Das bedeutet, dass die Astronomen diesen Zyklus von Sternenleben und -sterben und die zunehmende Metallanreicherung der nachfolgenden Sterngenerationen zwar kennen, die Beobachtungen von Gz9p3 aber darauf hindeuten, dass Galaxien schneller „chemisch reif“ geworden sein könnten als bisher angenommen.

„Diese Beobachtungen liefern Beweise für eine schnelle, effiziente Ansammlung von Sternen und Metallen in der unmittelbaren Folge des Urknalls, verbunden mit fortlaufenden Galaxienverschmelzungen, was zeigt, dass massereiche Galaxien mit mehreren Milliarden Sternen früher als erwartet existierten“, schrieb Boyett.

Eine Geschichte der Gewalt

Galaxien, die von ihren galaktischen Gegenstücken isoliert sind, bilden zwar Sterne, aber der Prozess ist langsam und endet, wenn die Galaxie ihren Vorrat an Gas und Staub, den Materialien, aus denen Sterne entstehen, aufgebraucht hat.

Bei nahe beieinander liegenden Galaxien kann der Prozess der Sternentstehung beschleunigt und sogar wiederbelebt werden, nachdem er zum Stillstand gekommen ist. Denn wenn diese Galaxien durch die gegenseitige Anziehungskraft zusammengezogen werden, kollidieren sie. Die Verschmelzung führt dann zu einem Zustrom von frischem Gas, der eine Periode schneller Sternentstehung auslöst, die als „Starburst“ bezeichnet wird, d. h. Verschmelzungen sind eine hervorragende Möglichkeit für Galaxien, ihre Sternpopulation schnell zu vergrößern.

JWST beobachtet die verschmelzenden Galaxien, die als Arp 220 bekannt sind und etwa 250 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt sind. (Bildnachweis: Bild: NASA, ESA, CSA, STScI; Bildbearbeitung: Alyssa Pagan (STScI))

Die meisten großen Galaxien im Universum haben sich auf diese Weise entwickelt; unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, weist selbst eine Geschichte von Verschmelzungen auf. So war sie beispielsweise an der Kannibalisierung kleinerer Satellitengalaxien beteiligt, die sie einst umkreisten. Die Milchstraße bildet derzeit nur wenige Sterne, aber das wird sich ändern, wenn sie in etwa 4,5 Milliarden Jahren mit unserer Nachbargalaxie Andromeda zusammenstößt. Dies wird einen Gaszustrom auslösen, der eine neue Welle von Starbursts in Gang setzt.

Dank der Beobachtungen von Gz9p3 wird den Astronomen klar, dass dieser Kanal für die schnelle Ansammlung von Masse und die Geburt von Sternen im frühen Universum ein größerer Faktor war als vorhergesagt.

„Diese Beobachtungen von Gz9p3 zeigen, dass Galaxien in der Lage waren, im frühen Universum durch Verschmelzungen schnell Masse anzusammeln, wobei die Effizienz der Sternentstehung höher war, als wir erwartet hatten“, erklärte Boyett. „Diese und andere Beobachtungen mit dem JWST veranlassen Astrophysiker dazu, ihre Modellierung der frühen Jahre des Universums anzupassen.

„Unsere Kosmologie ist nicht unbedingt falsch, aber unser Verständnis davon, wie schnell sich Galaxien gebildet haben, ist es wahrscheinlich, weil sie massiver sind, als wir es jemals für möglich gehalten haben.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 7. März in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.