Eine Illustration einer stark rotverschobenen Galaxie, wie sie erscheinen könnte, wenn das JWST sie heranzoomen könnte. (Inset) Fünf Kandidatengalaxien, die das JWST im Rahmen des GLIMPSE-Projekts identifiziert hat und die sich als die frühesten und am weitesten entfernten Galaxien erweisen könnten, die je gesehen wurden (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva)/ Kokorev et al 2024)
Das James Webb Weltraumteleskop hat möglicherweise erneut einen seiner eigenen Rekorde gebrochen – wenn die Wissenschaftler richtig liegen, hat diese bahnbrechende Raumsonde möglicherweise einen Blick auf die frühesten Galaxien im Universum geworfen.
Die fünf Galaxienkandidaten sind so weit entfernt, dass die am weitesten entfernte Galaxie so gesehen wird, wie sie nur 200 Millionen Jahre nach dem Urknall war. Das Licht dieser Galaxien ist also schon seit etwa 13,6 Milliarden Jahren zur Erde unterwegs. Aufgrund der Ausdehnung des Universums müssten diese Galaxien jetzt schwindelerregende 34 Milliarden Lichtjahre entfernt sein. Um es klar zu sagen: Das alles ist noch nicht bestätigt.
Vor dieser Entdeckung, die im Rahmen des Projekts Galactic Legacy Infrared Midplane Survey Extraordinaire (GLIMPSE) des James Webb Space Telescope (JWST) gemacht wurde, war die am weitesten entfernte Galaxie, die von dem leistungsstarken Weltraumteleskop beobachtet wurde, JADES-GS-z14-0. Diese Galaxie wurde so gesehen, wie sie war, als das Universum etwa 280 Millionen Jahre alt war.
Diese neuen Galaxien werden offiziell benannt werden, sobald sie bestätigt sind, aber sie werden wahrscheinlich alle das Präfix „GLIMPSE“ tragen, in Anspielung auf die Untersuchung, die sie entdeckt hat. Es könnte sich dabei um die frühesten Galaxien handeln, die nach unseren derzeitigen Modellen der Entwicklung des Universums existieren.
„Es bleibt eine große Herausforderung, das genaue Alter dieser Galaxien abzuschätzen und zu bestimmen, wann sie sich gebildet haben, aber wir nähern uns mit Sicherheit der ersten Generation von Galaxien, denn uns bleiben nur etwa 150 Millionen Jahre, um diese Galaxien zu bilden“, sagte Hakim Atek, Mitglied des Entdeckungsteams und Forscher am Pariser Institut für Astrophysik, gegenüber kosmischeweiten.de. „Mit so wenig Zeit, die zur Verfügung steht, gibt es nicht viele Möglichkeiten, um Galaxien zu bilden.
„Letztendlich werden diese Beobachtungen den physikalischen Prozessen, die in unseren Modellen des Universums erlaubt sind, enge Grenzen setzen.“
Rot sehen mit Hilfe von Einstein
Frühe Galaxien, wie diese fünf neuen Kandidaten, werden als „hoch verschobene“ oder „hoch z“-Galaxien bezeichnet. Dies liegt daran, dass die Expansion des Universums dazu führt, dass die Wellenlängen des von diesen Galaxien ausgesandten Lichts auf dem Weg zu uns gestreckt werden. Da längere (gestrecktere) Wellenlängen am „roten Ende“ des elektromagnetischen Spektrums zu finden sind, wird dieser Prozess als Rotverschiebung bezeichnet.
Je länger das Licht gebraucht hat, um zu uns zu gelangen, desto extremer ist die Rotverschiebung, die es erfährt. Das Ausmaß der Rotverschiebung, das eine Galaxie erfahren hat, wird als „z“ bezeichnet, gefolgt von einem Gleichheitszeichen und einer einheitenlosen Zahl.
Nach Angaben des Las Cumbres Observatoriums entspricht eine Rotverschiebung von z = 0,10 einem Licht, das seit 1,3 Milliarden Jahren zur Erde unterwegs ist und sich nun in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung befindet. Eine Rotverschiebung von z = 1 entspricht einem Licht, das 7,7 Milliarden Jahre unterwegs war und aufgrund der Expansion des Universums jetzt 10,1 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Eine Rotverschiebung von 10 entspricht einem Körper, der etwa 26,6 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist und dessen Licht 13,2 Milliarden Jahre lang unterwegs war.
Fünf Kandidatengalaxien, die vom JWST im Rahmen des GLIMPSE-Projekts identifiziert wurden und sich als die frühesten und entferntesten Galaxien erweisen könnten, die je gesehen wurden. (Bildnachweis: Kokorev, et al 2024)
Das JWST entdeckt jetzt routinemäßig Galaxien mit Rotverschiebungen zwischen z = 10 und z = 14. Wie bereits erwähnt, hat die früheste bestätigte Galaxie, JADES-GS-z14-0, eine Rotverschiebung von z = 14,2. Diese fünf neuen potenziellen Galaxien haben jedoch Rotverschiebungen von z = 16 bis z = 18.
Teamleiter Vasily Kokorev von der University of Texas erklärte gegenüber kosmischeweiten.de, dass die Entdeckung dieser Galaxien den Trend fortsetzt, dass das JWST mehr leuchtstarke Galaxien entdeckt, die sich im frühen Universum bei hohen Rotverschiebungen oder „hohem z“ dicht aneinanderreihen, als erwartet wurde, bevor das 10-Milliarden-Dollar-Teleskop im Sommer 2022 begann, Daten zur Erde zu senden.
„Die Tatsache, dass wir so viele Galaxien mit hoher z-Zahl im selben Feld gefunden haben, bedeutet, dass ihre Anzahldichte höher ist als wir erwartet haben“, sagte Kokorev. „Die Objekte, die wir gefunden haben, passen auch durchweg in das neue Paradigma des Überflusses an hellen Galaxien bei hohen z-Werten. Sie sind möglicherweise auch einige der jüngsten Galaxien, die wir bisher gesehen haben.
Der Galaxienhaufen Abell S1063, wie er vom NASA/ESA Hubble Space Telescope während des Frontier Fields Programms gesehen wurde. (Bildnachweis: M. Montes(University of New South Wales)/NASA/ESA)
Die Entdeckung dieser fünf Kandidatengalaxien war möglich, weil die GLIMPSE-Beobachtungen die tiefsten sind, die jemals am Himmel gemacht wurden. Die Ergebnisse, die ersten des GLIMPSE-Projekts, wurden auch durch den Galaxienhaufen Abell S1063 unterstützt, der sich in einer Entfernung von etwa 4 Milliarden Lichtjahren befindet. Dieser Galaxienhaufen konnte dank eines Phänomens helfen, das erstmals 1915 von Albert Einstein vorhergesagt wurde und als „Gravitationslinseneffekt“ bezeichnet wird.
1915 stellte Einstein seine Theorie der Schwerkraft auf, die als „allgemeine Relativitätstheorie“ bekannt ist. Diese Theorie besagt, dass die Schwerkraft dadurch entsteht, dass Objekte mit Masse das Gefüge von Raum und Zeit krümmen (das als vierdimensionale Einheit namens „Raumzeit“ vereint ist). Je mehr Masse ein Objekt hat, desto größer ist die „Delle“ in der Raumzeit, die es verursacht, und desto größer ist somit sein Gravitationseinfluss.
Wenn das Licht eines Objekts auf seinem Weg zu unseren Detektoren auf der Erde eine extreme Krümmung der Raumzeit passiert, die durch etwas wirklich Massives verursacht wird, wie z. B. einen Galaxienhaufen, wird auch sein Weg gekrümmt. Je näher das Licht an diesem Linsenkörper vorbeigeht, desto extremer ist seine Krümmung. Das bedeutet, dass die fünf GLIMPSE-Galaxien, die unterschiedliche Wege um eine Gravitationslinse nehmen, zu unterschiedlichen Zeiten bei einem Teleskop wie dem JWST ankommen können, das sich in unserer Ecke des Kosmos befindet.
Dieser Effekt wird Gravitationslinseneffekt genannt, weil er das Erscheinungsbild des Hintergrundobjekts vergrößern kann. Das JWST hat sich dieses Phänomen zunutze gemacht, um weit entfernte frühe Galaxien aufzuspüren, die ohne Gravitationslinse zu schwach wären, um gesehen zu werden. In diesem Fall war der Galaxienhaufen Abell S1063 die vom GLIMPSE-Team verwendete Gravitationslinse.
Ein Diagramm zeigt, wie die Verformung der Raumzeit durch ein Objekt von beträchtlicher Masse zu Gravitationslinsenbildung führt (Bildnachweis: NASA, ESA & L. Calçada)
Selbst mit dem leistungsstärksten Weltraumteleskop, das je gebaut wurde, und mit einem starken kosmischen Phänomen waren diese Galaxien immer noch zu schwach, um sie detailliert genug zu sehen, um ihre Merkmale zu identifizieren.
„Um ihrer Natur wirklich auf den Grund zu gehen, sind Spektren erforderlich. Im Moment wissen wir, dass diese Objekte an sich recht schwach sind, vor allem im Vergleich zu den jüngsten JWST-Entdeckungen bei hohen z-Werten“, so Kokorev. „Diese Schwäche, kombiniert mit der Anzahl der Objekte, die wir in einem so kleinen Volumen entdecken, könnte interessante Rückschlüsse auf die Entstehung der ersten Galaxien im Universum zulassen.“
Für Atek ist einer der faszinierendsten Aspekte der Entdeckung, dass sich diese Galaxien zu den ungewöhnlich hellen Galaxien entwickeln werden, die das JWST gesehen hat, als der Kosmos zwischen 300 und 400 Millionen Jahre alt war.
Was die Möglichkeit betrifft, dass das JWST noch ältere Galaxien als diese fünf Kandidaten entdeckt, ist Atek nicht zuversichtlich, dass dies möglich sein wird.
„Das JWST hat das Potenzial, noch frühere Galaxien zu entdecken, aber das hängt von ihrer Anzahl, Dichte und Leuchtkraft ab, die davon abhängen, wie sich die frühe Galaxienbildung entwickelt hat“, so Atek weiter. „Wir betreten hier völliges Neuland und können nicht mit Sicherheit wissen, was wir finden werden. Es wird erwartet, dass viele dieser Quellen so schwach sind, dass eine spektroskopische Bestätigung, selbst mit JWST, extrem schwierig oder nicht machbar sein wird.“
Selbst wenn es frühere Galaxien im jungen Universum gäbe, die entdeckt werden könnten, ist es möglich, dass selbst ein so leistungsfähiges Instrument wie das JWST – das ein so großartiges Werkzeug wie die Gravitationslinse verwendet – nicht in der Lage ist, sie zu entdecken.
Kokorev wies darauf hin, dass die Entdeckung früherer und schwächerer Galaxien 450 Stunden Beobachtungszeit mit dem JWST erfordern könnte (das GLIMPSE-Projekt hatte nur 150 Stunden), und der Forscher hält es für unwahrscheinlich, dass dies in nächster Zeit geschieht.
„Theoretisch kann man also immer noch frühere und weit entfernte Galaxien finden, aber diese wären noch schwächer und kleiner, so dass sie extrem schwer zu entdecken wären“, so Kokorev. „Das GLIMPSE-Programm hat das Teleskop bereits bis an seine Grenzen gebracht.“
Dessen ungeachtet wird GLIMPSE zweifelsohne noch weitere spannende Ergebnisse liefern.
„Dies ist die erste Veröffentlichung von vielen, die noch kommen werden, also halten Sie Ausschau nach weiteren GLIMPSE-Wissenschaftsergebnissen“, schloss Kokorev. „Wir sind sehr gespannt auf die Daten und all die spannenden wissenschaftlichen Ergebnisse, die sie liefern werden!“
Die Forschungsarbeit des Teams ist als Preprint auf dem Repository arXiv veröffentlicht.
