GN-z11 befindet sich im Sternbild Ursa Major, in einer Himmelsregion, die im Rahmen des GOODS-Projekts (Great Observatories Origins Deep Survey) untersucht wird (Bildnachweis: NASA/ESA/CSA/STScI/Brant Robertson (UC Santa Cruz)/Ben Johnson (CfA)/Sandro Tacchella (Cambridge)/Marcia Rieke (University of Arizona)/Daniel Eisenstein (CfA)).
Der Beweis für die Existenz der ersten Generation von Sternen im Universum ist dank der Beobachtungen des James Webb Space Telescope (JWST) erbracht worden. Der Beweis befindet sich in einer der am weitesten entfernten bekannten Galaxien.
Die Galaxie mit der Bezeichnung GN-z11 wurde 2015 vom Hubble-Weltraumteleskop entdeckt und galt bis zum Start des James-Webb-Weltraumteleskops als die am weitesten entfernte bekannte Galaxie. Mit einer Rotverschiebung von 10,6 macht es mehr Sinn, darüber zu sprechen, wie lange sie schon existiert, als darüber, wie weit sie entfernt ist. Das liegt daran, dass wir GN-z11 so sehen, wie sie nur 430 Millionen Jahre nach dem Urknall war, weil ihr Licht so lange brauchte, um in unsere Ecke des Kosmos zu gelangen. Zum Vergleich: Das heutige Universum ist 13,8 Milliarden Jahre alt.
GN-z11 war daher ein bevorzugtes Ziel für die Untersuchung durch das JWST. Jetzt beschreiben zwei neue Veröffentlichungen tiefgreifende Entdeckungen über GN-z11, die wichtige Details darüber offenbaren, wie Galaxien, die im frühen Universum existierten, wachsen konnten.
GN-z11 ist die leuchtkräftigste Galaxie, die bei dieser Rotverschiebung bekannt ist, und in der Tat ist dies zu einem allgemeinen Thema für Galaxien mit hoher Rotverschiebung geworden, die nun fast regelmäßig vom JWST im frühen Universum gefunden werden. Viele von ihnen erscheinen viel heller, als es unsere Modelle der Galaxienentstehung vorhersagen. Diese Vorhersagen beruhen auf dem Standardmodell der Kosmologie.
Die neuen Beobachtungen des JWST scheinen nun Aufschluss darüber zu geben, was vor sich geht.
Ein Astronomenteam unter der Leitung von Roberto Maiolino von der Universität Cambridge hat GN-z11 mit den beiden Nahinfrarotinstrumenten des JWST, der Nahinfrarotkamera (NIRCam) und dem Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec), untersucht. Die Forscher entdeckten Beweise für die erste Generation von Sternen, die so genannten Populationssterne der dritten Generation, sowie für ein supermassives Schwarzes Loch, das riesige Mengen an Materie verschlingt und mit enormer Beschleunigung wächst.
Wissenschaftler können das Alter eines Sterns anhand seines Gehalts an schweren Elementen berechnen, die von früheren Generationen von Sternen gebildet wurden, die lebten und starben und diese schweren Elemente in den Weltraum schleuderten, wo sie schließlich in Sternentstehungsgebieten recycelt wurden, um neue Sternkörper zu bilden. Die jüngsten Sterne, die in den letzten fünf oder sechs Milliarden Jahren entstanden sind, werden als Sterne der Population I bezeichnet und weisen den höchsten Gehalt an schweren Elementen auf. Unsere Sonne ist ein Stern der Population I. Ältere Sterne enthalten weniger schwere Elemente, weil es vor ihnen weniger Generationen von Sternen gegeben hat. Wir nennen sie Populations-II-Sterne, und sie leben in den ältesten Regionen unserer Milchstraßengalaxie.
Sterne der Population III waren jedoch bisher rein hypothetisch.
Das Spektrum des Klumpens aus ursprünglichem Heliumgas, der den Nachweis für die ersten Sterne erbracht hat. (Bildnachweis: NASA/ESA/CSA/Ralf Crawford (STScI))Da es vor ihnen keine anderen Sterne gab, enthielten sie keine schweren Elemente und bestanden nur aus dem ursprünglichen Wasserstoff und Helium, die während des Urknalls entstanden waren. Man nimmt an, dass diese ersten Sterne auch extrem leuchtkräftig waren, mit einer Masse von mindestens mehreren hundert Sonnen.
Obwohl die Astronomen noch immer keine Sterne der Population III direkt gesehen haben, entdeckte Maiolinos Team indirekte Hinweise auf sie in GN-z11. NIRSpec beobachtete einen Klumpen von ionisiertem Helium nahe dem Rand von GN-z11.
„Die Tatsache, dass wir außer Helium nichts anderes sehen, deutet darauf hin, dass dieser Klumpen ziemlich unberührt sein muss“, sagte Maiolino in einer Erklärung. „Das ist etwas, das von der Theorie und von Simulationen in der Nähe von besonders massereichen Galaxien aus diesen Epochen erwartet wurde – dass es Taschen mit unberührtem Gas gibt, die im Halo überleben, und dass diese kollabieren und Sterne der Population III bilden können.“
Dieses Heliumgas wird durch etwas ionisiert, das große Mengen an ultraviolettem Licht erzeugt, und dieses Etwas ist vermutlich ein Stern der Population III. Möglicherweise handelt es sich bei dem Helium um Material, das bei der Entstehung dieser Sterne übrig geblieben ist. Die Menge an ultraviolettem Licht, die erforderlich ist, um all dieses Gas zu ionisieren, erfordert insgesamt etwa 600.000 Sonnenmassen an Sternen, die zusammen 20 Billionen Mal heller leuchten als unsere Sonne. Diese Zahlen legen nahe, dass ferne Galaxien wie GN-z11 bei der Bildung massereicher Sterne geschickter waren als Galaxien im heutigen Universum.
Nach einer zweiten Reihe von Ergebnissen fand das Team von Maiolino auch Beweise für ein Schwarzes Loch mit einer Masse von zwei Millionen Sonnenmassen im Herzen von GN-z11.
„Wir haben extrem dichtes Gas gefunden, wie es in der Nähe von supermassereichen Schwarzen Löchern üblich ist, die Gas akkretieren“, so Maiolino in derselben Erklärung. „Dies waren die ersten eindeutigen Anzeichen dafür, dass GN-z11 ein schwarzes Loch beherbergt, das Materie verschlingt.“
Das Team entdeckte auch einen starken Strahlungsregen, der von der Akkretionsscheibe der um das Schwarze Loch wirbelnden Materie ausgeht, sowie ionisierte chemische Elemente, die typischerweise in der Nähe akkretierender Schwarzer Löcher zu finden sind. Es ist das am weitesten entfernte supermassive Schwarze Loch, das bisher entdeckt wurde, sagt das Team, und sein unersättlicher Appetit führt dazu, dass seine Akkretionsscheibe dicht und heiß wird und hell leuchtet. Zusammen mit den Sternen der Population III ist dies der Grund dafür, dass GN-z11 so hell leuchtet, glauben die Forscher, ohne dabei die Standardkosmologie zu verletzen, wie einige voreilig behauptet haben.
Die Studie über den ionisierten Heliumklumpen und die Sterne der Population III wurde zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics angenommen; ein Vorabdruck ist hier zu finden. In der Zwischenzeit wurde die Studie über die NIRCam-Beobachtungen des Schwarzen Lochs am 17. Januar in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
