„Kosmische Leuchttürme“ – Webb lüftet die Geheimnisse des ersten Lichts des Universums

Bahnbrechende JWST-Beobachtungen enthüllen die entscheidende Rolle massearmer Galaxien bei der Reionisierung des frühen Universums und stellen bestehende Theorien zur kosmischen Evolution in Frage.

Wissenschaftler, die mit Daten des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA arbeiten, haben die ersten vollständigen Spektren einiger der frühesten Sternenlichter im Universum erhalten. Die Bilder liefern das bisher klarste Bild neugeborener Galaxien mit sehr geringer Masse, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall entstanden sind, und legen nahe, dass die winzigen Galaxien eine zentrale Rolle in der kosmischen Entstehungsgeschichte spielen.

Das internationale Forscherteam, darunter zwei Astrophysiker aus Penn State, veröffentlichte seine Ergebnisse kürzlich in der Zeitschrift Natur. Die Spektren zeigen einiges des ersten sichtbaren Lichts aus einer Periode im Universum, die als Reionisierung bekannt ist und durch die Ankunft der frühesten Sterne und Galaxien angetrieben wurde.

Tieffeldbilder des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA lieferten die ersten Einblicke in ultralichtschwache Galaxien, die Forscher als starke Kandidaten für die Objekte identifizierten, die die Reionisierung des Universums auslösten. Bildnachweis: Hakim Atek/Sorbonne University/JWST

Das Uruniversum: Ein Übergang von der Dunkelheit zum Licht

Normale Materie im Universum begann als heißer, dichter Nebel, der fast ausschließlich aus Wasserstoff- und Heliumkernen bestand, erklärte Joel Leja, Assistenzprofessor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State und Autor des Artikels. Als es sich ausdehnte und abkühlte, begannen sich einzelne Protonen und Elektronen zu verbinden und bildeten erstmals neutralen Wasserstoff. Dann, etwa 500 bis 900 Millionen Jahre nach dem Urknalldieser neutrale Wasserstoff – der im frühen Universum vorherrschte – begann sich wieder in ionisiertes Gas zu zerlegen, was die Entstehung von Sternen und Galaxien vorantrieb und den Urnebel aufhob, sodass Licht zum ersten Mal ungehindert durch den Kosmos wandern konnte.

„Etwas wurde eingeschaltet, das begann, sehr energiereiche Photonen in den intergalaktischen Hohlraum zu pumpen“, sagte Leja. „Diese Quellen funktionierten wie kosmische Leuchttürme, die den Nebel aus neutralem Wasserstoff verbrannten. Was auch immer das war, es war so energiereich und so anhaltend, dass das gesamte Universum erneut ionisiert wurde.“

Galaktische Pioniere: Die Rolle massearmer Galaxien

Durch die Analyse der Spektren junger Galaxien mit geringer Masse zeigten die Wissenschaftler, dass kleine Galaxien starke Kandidaten für das „Etwas“ sind, das die Reionisierung des Universums auslöste, indem es das dichte Urgas um sie herum erhitzte und den einst neutralen Wasserstoff ionisierte.

„Wenn die anderen Galaxien mit geringer Masse im Universum so häufig und energiereich sind wie diese, glauben wir, dass wir endlich die Leuchttürme verstehen, die den kosmischen Nebel vernichtet haben“, sagte Leja. „Sie waren unglaublich energiereiche Sterne in vielen, vielen winzigen kleinen Galaxien.“

Die Mehrzahl der Galaxien im frühen Universum dürften relativ klein sein, was die Untersuchung ihrer Häufigkeit und ihrer Eigenschaften äußerst schwierig mache, fügte Leja hinzu. Dank einer technologischen Meisterleistung, die durch die einzigartige Kombination aus JWST-Empfindlichkeit und dem Gravitationslinseneffekt des Abell 2744-Clusters – nahe Galaxien, die wie kosmische Vergrößerungsgläser wirken, den Raum verzerren und das Licht von Hintergrundgalaxien verstärken – möglich ist, ist es nun möglich, dies zu bestimmen Häufigkeit kleiner Galaxien und ihre ionisierenden Eigenschaften während der ersten Milliarde Jahre des Universums.

„Wir haben herausgefunden, dass in dieser Epoche der Reionisierung des Universums die Zahl der kleinen Galaxien gegenüber den massiven Galaxien um etwa hundert zu eins um etwa einhundert zu eins übertraf“, sagte Hakim Atek, Astrophysiker an der Sorbonne-Universität, Forscher am Pariser Institut für Astrophysik und Erstautor des Artikels, in einer Pressemitteilung. „Diese neuartigen Beobachtungen zeigen auch, dass diese kleinen Galaxien eine beträchtliche Menge ionisierender Photonen produzierten, die die kanonischen Werte, die normalerweise für entfernte Galaxien angenommen werden, um das Vierfache übersteigen. Das bedeutet, dass der Gesamtfluss ionisierender Photonen, die von diesen Galaxien emittiert werden, den für die Reionisierung erforderlichen Schwellenwert bei weitem übersteigt.“

Kartierung der kosmischen Entwicklung: Zukünftige Richtungen

Das Penn State-Team leitete die Modellierung für die UNCOVER-Durchmusterung, die auf den großen Galaxienhaufen im Vordergrund zielte, der die kleineren, weiter entfernten Galaxien als Linse bildete. Die Forscher der Penn State analysierten alle kleinen Lichtpunkte in der Umfrage, um die Objekteigenschaften sowie ihre wahrscheinlichen Massen und Entfernungen zu verstehen. Diese Analyse wurde dann als Leitfaden für spätere, detailliertere JWST-Beobachtungen verwendet, die zu dieser Entdeckung führten, erklärte Leja.

Vor diesen Erkenntnissen gab es eine Reihe von Hypothesen, die andere Quellen identifizierten, die für die kosmische Reionisierung verantwortlich sind, wie etwa supermassereiche Schwarze Löcher; große Galaxien mit Massen von mehr als einer Milliarde Sonnenmassen; und kleine Galaxien mit Massen von weniger als 1 Milliarde Sonnenmassen. Die Forscher sagten, die Bestätigung der Hypothese in Bezug auf massearme Galaxien erwies sich aufgrund ihrer geringen Leuchtkraft als besonders schwierig. Die neuen Erkenntnisse liefern jedoch den bislang klarsten Beweis dafür, dass massearme Galaxien eine zentrale Rolle bei der Reionisierung des Universums spielten.

Die Forscher wollen die Studie nun auf einen größeren Maßstab ausweiten, um zu bestätigen, dass der bestimmte Ort, den sie analysiert haben, repräsentativ für die durchschnittliche Verteilung der Galaxien im Universum ist. Über den Reionisierungsprozess hinaus liefern ihre Beobachtungen Einblicke in den Prozess der frühen Sternentstehung, wie Galaxien aus dem Urgas entstanden – und wie sie sich zu dem Universum entwickelten, das wir heute kennen.

Referenz: „Die meisten Photonen, die das Universum reionisierten, stammten aus Zwerggalaxien“ von Hakim Atek, Ivo Labbé, Lukas J. Furtak, Iryna Chemerynska, Seiji Fujimoto, David J. Setton, Tim B. Miller, Pascal Oesch, Rachel Bezanson, Sedona H. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Vasily Kokorev, John R. Weaver, Gabriel Brammer, Pieter van Dokkum, Christina C. Williams, Sam E. Cutler, Robert Feldmann, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. Greene, Joel Leja, Michael V. Maseda, Adam Muzzin, Richard Pan, Casey Papovich, Erica J. Nelson, Themiya Nanayakkara, Daniel P. Stark, Mauro Stefanon, Katherine A. Suess, Bingjie Wang und Katherine E. Whitaker, 28. Februar 2024, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-024-07043-6

Bingjie Wang, ein Postdoktorand in Astrophysik, ist der andere Co-Autor der Studie aus Penn State. Eine vollständige Liste der Autoren und ihrer jeweiligen Institutionen finden Sie im veröffentlichten Artikel. Die Forscher danken für die Finanzierung und Unterstützung durch CNES, das Programm National Cosmology and Galaxies, CEA, das Cosmic Dawn Center, die Danish National Research Foundation, den Australian Research Council, die NOW, das CO-FUND Rosalind Franklin-Programm der Europäischen Kommission und der Universität Groningen , die United States-Israel Binational Science Foundation, die US National Science Foundation (NSF), das Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Israel und NOIRLabdas von der Association of Universities for Research in Astronomy im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung mit der NSF verwaltet wird.