Astronomen, die das James Webb Weltraumteleskop benutzten, fanden eine Reihe von seltsamen Formen, als das Universum 600 Millionen bis 6 Milliarden Jahre alt war. Die vorherrschenden Galaxienformen sehen flach und langgestreckt aus, wie Poolnudeln oder Surfbretter. Diese beiden Galaxientypen machen etwa 50 bis 80 % aller untersuchten fernen Galaxien aus – eine Überraschung, da diese Formen in der näheren Umgebung selten sind. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin))
Viele kleine Galaxien, die schon früh in der Geschichte des Universums existierten, sind in einer Surfbrett-ähnlichen Form gestreckt, was auf den Einfluss des kosmischen Materiegeflechts und ständige Verschmelzungen mit anderen kleinen Galaxien hinweist, wie Tiefenbeobachtungen mit dem James Webb Weltraumteleskop ergeben haben.
Neue Forschungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben ergeben, dass Zwerggalaxien im frühen Universum oft flach aussehen, entweder ‚prolate‘ (entlang einer Achse verlängert) oder sehr schmale oblate Ovale, die wie ein Surfbrett geformt sind, während andere eher ein frisbeeähnliches, oblates Aussehen haben. Diese galaktischen Frisbees scheinen mit zunehmendem Alter des Universums zahlreicher zu werden, ebenso wie die kompakten, kugelförmigen Galaxien.
„Etwa 50 bis 80 % der von uns untersuchten Galaxien scheinen in zwei Dimensionen abgeflacht zu sein“, so Viraj Pandya, Astronom an der Columbia University und Hauptautor einer neuen Veröffentlichung, in der die Forschung beschrieben wird, in einer Presseerklärung. „[Sie] scheinen im frühen Universum sehr häufig zu sein, was überraschend ist, da sie in der Nähe ungewöhnlich sind.“
Die Entdeckung wurde mit Daten von CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) gemacht, einem JWST-Programm, das den Schleier lüftet und das Leben der ältesten und schwächsten Galaxien im Universum untersucht. Es handelt sich um eine Ära, die sich von 600 Millionen Jahren nach dem Urknall bis 6 Milliarden Jahre später erstreckt und in der sich die Galaxien, die wir heute im Universum um uns herum sehen, gebildet, entwickelt und gereift haben, von Spiralen wie der Milchstraße und der Andromedagalaxie bis hin zu riesigen elliptischen Galaxien wie M87.
Beispiele für weit entfernte Galaxien, die vom James Webb Space Telescope der NASA im Rahmen seiner CEERS-Durchmusterung (Cosmic Evolution Early Release Science) aufgenommen wurden. Jüngste Untersuchungen des CEERS-Feldes unter der Leitung von Viraj Pandya, einem NASA Hubble Fellow an der Columbia University in New York, haben gezeigt, dass Galaxien häufig flach und länglich erscheinen, wie Poolnudeln oder Surfbretter (in der oberen Reihe).Dünne, kreisförmige, scheibenförmige Galaxien, die Frisbees ähneln, sind die nächste große Gruppe (unten links und Mitte). Den kleinsten Anteil an den Entdeckungen machen schließlich Galaxien aus, die wie Kugeln oder Volleybälle geformt sind (unten rechts). Man schätzt, dass alle diese Galaxien bereits existierten, als das Universum 600 Millionen bis 6 Milliarden Jahre alt war. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin))
CEERS baut auf früheren Arbeiten des Hubble-Weltraumteleskops auf, das das frühe Universum in seinen Tiefenfeldaufnahmen und seinem CANDELS-Programm (Cosmic Assembly Near-Infrared Deep Extragalactic Legacy Survey) untersucht hat. Hubble fand heraus, dass massereiche Galaxien in der Frühzeit des Universums dazu neigten, die Form von abgeflachten Sphäroiden anzunehmen, nicht unähnlich den elliptischen Galaxien von heute. Weniger massereiche und daher schwächere Galaxien waren für Hubble schwieriger zu entdecken, aber von dem, was es sehen konnte, nahmen viele von ihnen ein längliches Aussehen an, das aus Ketten von helleren „Klecksen“ bestand, während andere unregelmäßig geformte Zwerge den Spitznamen „Kaulquappen“, „Nuggets“ oder „Klumpen“ erhielten.
Die Frage war, ob Hubble angesichts seiner begrenzten Möglichkeiten ein wahrheitsgetreues Abbild der Formen kleinerer früher Galaxien sah? Die bessere Sicht des JWST hat nun ergeben, dass Hubbles frühere Entdeckungen zutreffen.
Kartheik Iyer, ebenfalls von der Columbia University, beschrieb, wie die größere Sichtweite und Empfindlichkeit des JWST im Vergleich zu Hubble die Untersuchung von Galaxien im frühen Universum verändert.
„Die Identifizierung zusätzlicher Kategorien für frühe Galaxien ist aufregend – es gibt jetzt viel mehr zu analysieren“, sagte Iyer in der Presseerklärung. „Wir können jetzt untersuchen, wie die Form von Galaxien mit ihrem Aussehen zusammenhängt, und wir können viel detaillierter vorhersagen, wie sie entstanden sind.“
Es zeichnet sich nun ein Bild davon ab, wie sich Galaxien im Laufe der Zeit entwickelt und vergrößert haben könnten.
Materie ist im gesamten Universum vor allem in einem kosmischen Netz von Filamenten verteilt, das den Kosmos umspannt. Diese Filamente bestehen überwiegend aus dunkler Materie, mit einem Anteil an normaler Materie, aus der sich die von uns beobachteten Galaxien bilden. Die Häufigkeit der surfboard-förmigen prolate Galaxien könnte dadurch erklärt werden, dass sie sich innerhalb von Halos aus dunkler Materie bilden, die in Ausrichtung zu ihrem kosmischen Netzfilament länglich sind. Da sich innerhalb dieses Fadens auch andere Zwerggalaxien bilden, kommt es entlang dieses Fadens zu Verschmelzungen, die zu einem Wachstum von länglichen Galaxien führen, die wie Ketten aussehen.
Oben links zeigt die Webb-Durchmusterung eine Klassifizierung, die im frühen Universum selten ist, heute aber häufig vorkommt: Galaxien, die wie Kugeln oder Volleybälle geformt sind. Rechts oben sind abgeflachte kreisförmige Scheiben oder Frisbees zu sehen, die nur wenig häufiger vorkommen. Die Galaxienformen, die in dieser frühen Periode dominieren, sehen flach und länglich aus, wie Surfbretter (unten links) oder Poolnudeln (unten rechts). Diese beiden Klassifizierungen machen etwa 50 bis 80 % aller bisher untersuchten fernen Galaxien aus – eine Überraschung, da diese Formen in der Nähe eher ungewöhnlich sind. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI) )
Im Laufe von Milliarden von Jahren zerstreuen sich die Fäden des kosmischen Netzes und werden diffuser. Die Fusionsrate verlangsamt sich, und der Anteil der prolaten Galaxien nimmt ab, da sie sich zu drehen beginnen und eine scheibenförmige, abgeflachte Struktur annehmen. Solche abgeplatteten Galaxien nehmen im Laufe der Zeit und bei einer bestimmten Masse der Galaxie von 20 auf 60 % zu.
Auch die Zahl der sphäroidischen Galaxien nimmt mit der Zeit zu, wenn sich kompakte sternbildende Galaxien im Universum niederlassen und zu den Vorläufern der heutigen elliptischen Riesengalaxien oder den sphäroidischen Ausbuchtungen massereicher Spiralgalaxien werden.
Das Verständnis der Entwicklung von Galaxien im Laufe der kosmischen Geschichte ist ein wichtiges Ziel des JWST. Die neuen Ergebnisse von CEERS deuten darauf hin, dass hierarchische Verschmelzungen – kleinere Galaxien, die mit größeren verschmelzen, entlang der oben erwähnten kosmischen Filamente – der Schlüssel zum Verständnis dieser unterschiedlichen Galaxienformen sind.
Die Ergebnisse werden in einer zukünftigen Ausgabe des Astrophysical Journal veröffentlicht.
