JADES-GS-z14-0, die früheste und am weitesten entfernte Galaxie, die die Menschheit je gesehen hat, auf einem NIRCam-Bild, das vom JWST aufgenommen wurde (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA)).
Das James Webb Weltraumteleskop (JWST) hat nicht nur eine, sondern gleich zwei der frühesten und entferntesten Galaxien entdeckt, die je gesehen wurden, und bricht damit weiterhin die Rekorde, die es zuvor aufgestellt hat.
Die am weitesten entfernte Galaxie, JADES-GS-z14-0, wird so gesehen, wie sie etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte, also mindestens 100 Millionen Jahre früher als der bisherige Rekordhalter. Das bedeutet, dass das Licht, das das JWST von dieser ursprünglichen Galaxie gesehen hat, 13,5 Milliarden Jahre unterwegs war, um uns zu erreichen.
JADES-GS-z14-0 ist auch nicht allein. Sie wurde zusammen mit einer anderen Galaxie, JADES-GS-z14-1, entdeckt, die fast genauso weit entfernt ist und den zweiten Platz in der Rangliste der frühesten Galaxien einnimmt, die jemals von der Menschheit gesehen wurden.
Die Ankündigung der Entdeckungen, die im Oktober 2023 und Januar 2024 gemacht wurden, sind die neuesten Entwicklungen in der laufenden Untersuchung der kosmischen Morgendämmerung, die das 10-Milliarden-Dollar-Teleskop als Teil des JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)-Programms ermöglicht hat. JADES soll wichtige Erkenntnisse darüber liefern, wie sich die Sterne, das Gas und die schwarzen Löcher in den ursprünglichen Galaxien entwickelt haben, als das 13,8 Milliarden Jahre alte Universum noch sehr jung war.
„Diese Galaxien gehören zu einer kleinen, aber wachsenden Population von Galaxien aus der ersten halben Milliarde Jahre der kosmischen Geschichte, in denen wir die stellaren Populationen und die charakteristischen Muster der chemischen Elemente in ihnen wirklich untersuchen können“, sagte Francesco D’Eugenio, Mitglied des Teams und Wissenschaftler am Kavli Institute for Cosmology, in einer Erklärung.
Die Galaxie JADES-GS-z14-0, wie sie vom James Webb Space Telescope gesehen wurde, ist die am weitesten entfernte und früheste Galaxie, die jemals entdeckt wurde und nur 300 Millionen Jahre alt ist (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA)).
JADES-GS-z14-0 ist jedoch nicht nur wegen seiner Entfernung zur Erde und seiner frühen Existenz im Kosmos bemerkenswert. Mit einer Breite von rund 1 600 Lichtjahren ist diese Galaxie der „kosmischen Morgendämmerung“ auch bemerkenswert, weil sie so groß und hell ist.
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„Die Größe der Galaxie beweist eindeutig, dass das meiste Licht von einer großen Anzahl junger Sterne erzeugt wird und nicht von Material, das auf ein supermassives Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie fällt, was sie viel kleiner erscheinen lassen würde“, sagte der Leiter des JADES-Teams, Daniel Eisenstein, vom Harvard & Smithsonian’s Center for Astrophysics (CfA) in einer separaten Erklärung.
Die extreme Helligkeit von JADES-GS-z14-0 und die Tatsache, dass diese Leuchtkraft von jungen Sternen gespeist wird, bedeuten, dass diese Galaxie den bisher eindrucksvollsten Beweis für die schnelle Bildung großer, massereicher Galaxien im frühen Universum darstellt.
Ben Johnson, Mitglied des JADES-Teams und Forscher an der University of California-Santa Cruz, fügte hinzu, dass JADES-GS-z14-0 zeigt, dass die Galaxienbildung im frühen Universum sehr schnell und intensiv war.
„Das JWST wird es uns ermöglichen, mehr dieser Galaxien zu finden, vielleicht sogar aus der Zeit, als das Universum noch jünger war“, sagte er. „Es ist eine wunderbare Gelegenheit zu untersuchen, wie Galaxien entstehen.“
Das James Webb Weltraumteleskop sieht rot, um frühe Galaxien zu entdecken
Das JWST ist dank der hohen Infrarotempfindlichkeit seiner Instrumente, insbesondere seines primären Bildgebers, der Nahinfrarotkamera (NIRCam), in der Lage, frühe Galaxien zu erkennen.
Das Licht verlässt diese kosmischen Morgengalaxien mit einem breiten Spektrum an Wellenlängen, das dem Licht von Galaxien ähnelt, die sich näher an der Milchstraße befinden. Es ist die Reise von Milliarden von Jahren, die dieses Licht in energiearmes und langwelliges Licht im nahen und infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums verwandelt.
Die Struktur des Raums dehnt sich aus, und wenn das Licht durch sie hindurchgeht, wird seine Wellenlänge mitgestreckt. Dadurch „verschiebt“ sich das Licht zum roten Ende des elektromagnetischen Spektrums hin, daher der Name „Rotverschiebung“ für dieses Phänomen.
Die Sonne strahlt Licht über das gesamte elektromagnetische Spektrum aus, einschließlich aller Farben des sichtbaren Lichts. (Bildnachweis: NASA’s Imagine the Universe)
Galaxien, die weiter entfernt sind, müssen mehr Raum durchqueren (der durch seine Ausdehnung gedehnt wird), bevor ihr Licht uns erreicht, und daher erfährt dieses Licht eine größere Rotverschiebung. Die Rotverschiebung, die mit z bezeichnet wird, kann daher zur Messung der Entfernung zu Himmelsobjekten mit bekanntem Spektrum verwendet werden. Und da Licht eine endliche Zeit braucht, um sich fortzubewegen, lässt sich anhand dieser Entfernung berechnen, wie lange die Galaxien, die wir sehen, schon existieren.
JADES-GS-z14-0 hat eine Rotverschiebung von z = 14,32, während die bisher am weitesten entfernte Galaxie, JADES-GS-z13-0, eine Rotverschiebung von z = 13,2 hat, was bedeutet, dass sie 400 Millionen Jahre nach dem Urknall existiert. Diese neu entdeckte Galaxie hat diesen Rekord eindeutig gebrochen, denn das JWST hat die Zeit um weitere 100 Millionen Jahre zurückgedreht.
„JADES-GS-z14-0 wird nun zum Archetyp dieses Phänomens“, sagte Stefano Carniani von der Scuola Normale Superiore, Mitglied des JADES-Teams. „Es ist erstaunlich, dass das Universum eine solche Galaxie in nur 300 Millionen Jahren bilden kann.“
Das rotverschobene Spektrum von JADES-GS-z14-0, gemessen mit dem NIRSpec-Instrument des JWST (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI). Wissenschaft: S. Carniani (Scuola Normale Superiore), JADES-Kollaboration)
JADES-GS-z14-0 lieferte einige Überraschungen
Nicht alles an JADES-GS-z14-0 war dem JADES-Team sofort klar, und einige Elemente könnten unser Bild vom frühen Kosmos durcheinander bringen.
Als sie zum ersten Mal entdeckt wurde, war die ursprüngliche Galaxie so nahe an einer näheren Vordergrundgalaxie, dass das Team vermutete, sie könnten himmlische Nachbarn sein. Diese Vermutung wurde im Oktober letzten Jahres widerlegt, als die JADES-Crew fünf Tage lang eine gründliche Analyse von JADES-GS-z14-0 mit NIRCam durchführte. Die Anwendung von Filtern, die speziell auf die Identifizierung früher Galaxien zugeschnitten sind, bestätigte die extreme Entfernung von JADES-GS-z14-0.
„Wir konnten einfach keine plausible Erklärung dafür finden, dass diese Galaxie nur ein Nachbar der näheren Galaxie ist“, sagte Kevin Hainline, Mitglied des JADES-Teams und Forscher an der Universität von Arizona.
Die Galaxie hat ihre Entdecker auch deshalb überrascht, weil ihr Licht noch röter ist als erwartet. Das liegt daran, dass das Licht von JADES-GS-z14-0 durch den Staub in der Galaxie „gerötet“ wird, der zu den Bausteinen der Sterne wird, die diese Galaxie noch größer werden lassen.
Eine weitere Überraschung war die Entdeckung von Sauerstoff in JADES-GS-z14-0. Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind, werden von Sternen während ihrer Lebenszeit geschmiedet und dann in Galaxien verteilt, wenn diese Sterne explodieren. Die Beobachtung von Sauerstoff in JADES-GS-z14-0 könnte darauf hinweisen, dass in dieser sehr frühen Galaxie bereits mindestens eine Generation von Sternen gelebt hat und gestorben ist.
„Alle diese Beobachtungen zusammengenommen sagen uns, dass JADES-GS-z14-0 nicht mit den Galaxientypen vergleichbar ist, deren Existenz im sehr frühen Universum durch theoretische Modelle und Computersimulationen vorhergesagt wurde“, sagte JADES-Forscher Jake Helton vom Steward Observatory und der University of Arizona. „Aufgrund der beobachteten Helligkeit der Quelle können wir vorhersagen, wie sie sich im Laufe der kosmischen Zeit entwickeln könnte, und bisher haben wir in den Hunderten von anderen Galaxien, die wir in unserer Durchmusterung bei hoher Rotverschiebung beobachtet haben, keine geeigneten Analoga gefunden.“
Helton fügte hinzu, dass die Entdeckung von JADES-GS-z14-0 angesichts der relativ kleinen Himmelsregion, die das JWST durchsuchte, tiefgreifende Auswirkungen auf die vorhergesagte Anzahl heller Galaxien hat, die wir im frühen Universum sehen: „Es ist wahrscheinlich, dass die Astronomen im Laufe des nächsten Jahrzehnts mit dem JWST viele solcher leuchtenden Galaxien finden werden, möglicherweise sogar zu noch früheren Zeiten“, schloss er. „Wir sind begeistert von der außergewöhnlichen Vielfalt der Galaxien, die es in der kosmischen Dämmerung gab!“
