Astronomen haben die Entdeckung der zweiten von uns entferntesten Galaxie bestätigt

Und die Sterne darin sind schon ziemlich alt

Auf dem großen Foto links sind hauptsächlich Galaxien des großen Clusters MACS J1149 + 2223 zu sehen. Die Gravitationslinse des Riesenhaufens erhöhte das Licht der kürzlich entdeckten Galaxie MACS 1149-JD etwa um das 15-fache. Oben rechts wird der vergrößerte Teil des Bildes detaillierter dargestellt, und unten rechts wird er noch vergrößert.

Wir haben so weit in den Weltraum geschaut, wie es das Beste unserer Teleskope zulässt, aber noch keine Orte gesehen, an denen es keine Sterne und Galaxien geben würde. Es gibt eine große Lücke zwischen der ersten Galaxie, die wir gefunden haben, GN-z11 , die existierte, als das Universum nur 400 Millionen Jahre alt war, und der Restbeleuchtung des Urknalls, die seit dem Alter des Universums von 380.000 Jahren erhalten blieb. Es müssen einige erste Sterne zwischen ihnen sein, aber wir haben keine Möglichkeit, direkt auf eine solche Entfernung zu schauen. Und bis wir ein Teleskop für sie haben. James Webb , wir können nur mit indirekten Beweisen arbeiten.


Wenn wir einen immer größeren Teil des Universums studieren, schauen wir weiter in den Raum und damit zurück in die Zeit. Mit dem James Webb-Teleskop können wir direkt in die Tiefen gelangen, in die aktuelle Geräte nicht eindringen können

Aber im Bereich der indirekten Beweise haben wir viel Verstärkung erhalten. Wissenschaftler haben gerade die Entdeckung der zweitfernsten Galaxie, MACS1149-JD1, bestätigt, deren Licht zu uns gekommen ist, seit das Universum 530 Millionen Jahre alt war oder 4% seines gegenwärtigen Alters. Es ist hier bemerkenswert, dass wir Sauerstoff darin nachweisen konnten, und dies ist das erste Mal, dass ein so schweres Element in einer so fernen Vergangenheit gefunden wurde. Aufgrund unserer Beobachtungen können wir den Schluss ziehen, dass diese Galaxie mindestens 250 Millionen Jahre alt ist - und dies schiebt den Beweis für die Existenz der ersten Sterne noch weiter zurück.


Schematische Darstellung der Geschichte des Universums unter Angabe der Reionisierung. Vor der Bildung von Sternen oder Galaxien war das Universum voller neutraler Atome, die das Licht blockierten. Der größte Teil des Universums wurde bis zu 550 Millionen Jahre nicht reionisiert, aber einige Regionen hatten mehr Glück und sie reionisierten sich viel früher.

Basierend auf der Zusammensetzung des Universums: 68% Dunkle Energie, 27% Dunkle Materie, 4,9% Normale Materie, 0,1% Neutrinos und ≈ 0,01% Strahlung können wir simulieren, wie und wann sich Sterne darin bilden sollten und Galaxien. Da wir die anfänglichen Eigenschaften im Alter von 380.000 Jahren direkt messen können, müssen wir nur die Gesetze der Physik berücksichtigen und die Evolution rechtzeitig vorantreiben. Unsere besten Simulationen zeigen eine wunderbare Geschichte des Auftretens des kosmischen Netzes, dessen Höhepunkt zum Erscheinen von Galaxien und ihren Clustern führt, die durch riesige kosmische Hohlräume im expandierenden Universum mit Beschleunigung getrennt sind.



Wenn die Gesetze der Physik so sind, wie wir sie betrachten, dann können wir eine Zeit - die dunklen Jahrhunderte - erwarten, in der die Schwerkraft Materie in Regionen hoher Dichte zieht, aber noch nicht zusammengebrochen ist, nicht genug komprimiert hat, um Sterne zu bilden. Die allerersten Sterne könnten sich zwischen 50 und 200 Millionen Jahren bilden, und dann würde in sehr kurzer Zeit eine sehr große Anzahl von Sternen erscheinen. Die kleinsten Sternhaufen verschmolzen zu größeren und damit zu den Protogalaxien - den Bausteinen der Galaxien, die wir heute sehen. Infolgedessen haben sich ungefähr 550 Millionen Jahre nach dem Urknall genügend Sterne gebildet, um das Universum von neutralen lichtblockierenden Atomen zu befreien, und wir können dies alles mit einem ausreichend leistungsstarken optischen Teleskop sehen.


Die Idee des Künstlers vom frühen Universum nach den ersten Billionen von Sternen bildete sich, lebte und starb. Die Existenz und der Lebenszyklus von Sternen sind der Hauptprozess, der das Universum mit Elementen außerhalb von Wasserstoff und Helium anreichert, und die von den ersten Sternen emittierte Strahlung macht es für sichtbares Licht transparent. Wir können die Population der ersten Sterne noch nicht direkt beobachten

Aber wann leuchteten diese ersten Sterne auf? Was sind ihre Eigenschaften, wie unterscheiden sie sich von heute? Wie schnell brannten sie aus, als sich die ersten Sterne mit felsigen Planeten und potenziellen Zutaten für das Leben bildeten? Gibt es eine bevorzugte Region im Raum für solche Prozesse?

Bis jetzt konnten wir bis zu 400 Millionen Jahre nach dem Urknall zurückblicken und dabei die besten Beobachtungen der NASA nutzen, um junge, bereits entwickelte Galaxien zu finden. Kürzlich konnten wir indirekt ein bestimmtes Zeichen von Sternen messen, die sich noch früher gebildet haben: als das Universum zwischen 180 und 260 Millionen Jahre alt war. Wir dachten, wir müssten warten, bis das James Webb-Teleskop startet, um diese Messungen zu bestätigen.


Ein signifikanter Fehler des Graphen ist ein direktes Ergebnis einer kürzlich von Bowman und Kollegen durchgeführten Studie, die das Signal der 21-cm-Wasserstofflinie zeigt , das aufgezeichnet wurde, als das Universum zwischen 180 und 260 Millionen Jahre alt war. Dies entspricht dem Auftreten der ersten Welle von Sternen und Galaxien im Universum. Basierend auf diesen Beweisen sollte der Beginn der „kosmischen Morgendämmerung“ der Rotverschiebung ≈ 22 zugeschrieben werden.

Eine neue Studie vom 16. Mai 2018, die in Nature veröffentlicht wurde, könnte jedoch die notwendigen Beweise dafür enthalten, dass Sterne in jenen frühen Tagen wirklich existierten. Es gibt viele Kandidaten, ultra-entfernte Galaxien - mit Infrarot- oder sogar Infrarotfarben, die über ihre extreme Entfernung sprechen. Bevor diese Entfernungen bestätigt werden, besteht jedoch die Möglichkeit, dass es sich nur um Quasags handelt . Diese Woche stellte sich heraus, dass einer der Kandidaten für die frühesten Galaxien wirklich ein Quasag war . Dies passiert ziemlich oft und betont, dass wir eine Bestätigung brauchen.


Der Galaxienhaufen MACS J1149.5 + 223 von beeindruckender Größe, dessen Licht seit 5 Milliarden Jahren zu uns geht, war das Ziel eines der Hubble Frontier Fields-Programme (Grenzfelder). Dieses massive Objekt wird einer Gravitationslinse unterzogen, die das Licht der dahinter liegenden Objekte lenkt, sie streckt und vergrößert und es uns ermöglicht, weiter entfernte Außenbereiche des Weltraums zu sehen.

Aber die Galaxie MACS1149-JD1 erwies sich als so weit weg wie wir dachten und wurde aus der Ferne zur zweitberühmtesten Galaxie. Und darin fanden wir nicht nur die Inhaltsstoffe der ersten Sterne, Wasserstoff und Helium. Es gab Sauerstoff, und obwohl dies das dritthäufigste Element im Universum ist, erschien es nicht im Urknall, sondern erst nach dem Leben und Tod der ersten Generation von Sternen.


Die Überreste einer Supernova (links) und eines planetarischen Nebels (rechts) sind zwei Möglichkeiten für Sterne, verbrannte schwere Elemente zu verarbeiten, die in den interstellaren Raum ausgestoßen werden, und die nächste Generation von Sternen und den Planeten zu erzeugen. Die allerersten reinen Sterne sollten erschienen sein, bevor Supernova-, Planetennebel- oder Neutronensternfusionen den interstellaren Raum mit schweren Elementen verschmutzten. Der Nachweis von Sauerstoff in einer so weit entfernten Galaxie und seine Helligkeit zeigen, dass er bereits Hunderte Millionen Jahre alt ist.

Die unverkennbaren Anzeichen für das Vorhandensein von Sauerstoff und die beobachtete Helligkeit der Galaxie sowie Anzeichen von Wasserstoff, die zur genauen Bestimmung der Entfernung dazu beitrugen, wurden dank einer Kombination von vier Fernobservatorien beobachtet: ALMA , ESO VLT , Hubble und Spitzer . Die Helligkeit zeigt an, dass sich die Sterne in der Galaxie seit geraumer Zeit gebildet haben, da es einige Zeit dauert, Sterne zu entwickeln, um das beobachtete Niveau zu erreichen. Dies ermöglicht es uns, ein Bild der kosmischen Morgendämmerung für diese Galaxie zu zeichnen, das dem entspricht, was wir wissen: Die ersten Sterne, die diese Galaxie bildeten, erschienen 250 Millionen Jahre nach dem Urknall.


Die gesamte Geschichte des Weltraums ist theoretisch bekannt, aber nur qualitativ. Nur wenn wir die verschiedenen Stadien der Vergangenheit unseres Universums mit Hilfe von Beobachtungen, zum Beispiel der Bildung der ersten Sterne und Galaxien, bestätigen und entdecken, können wir unser Universum wirklich verstehen. Der Urknall setzt eine grundlegende Grenze dafür, wie weit wir in jede Richtung sehen können.

Dies ist ein weiterer Schritt in bisher unbekannte kosmische Tiefen. Wir haben noch nie zuvor eine so ferne Galaxie mit einer bestätigten Sternpopulation erwachsener Sterne gesehen. Laut Richard Ellis , Mitautor der Studie:

Die Bestimmung des Zeitpunkts des Beginns der kosmischen Morgendämmerung ist der heilige Gral der Kosmologie und die Bildung von Galaxien. Im Fall von MACS1149-JD1 konnten wir die Geschichte über das hinaus untersuchen, was wir mit aktuellen Geräten sehen können. Der Optimismus wurde wiederhergestellt, dass wir der direkten Beobachtung des Ursprungs des Sternenlichts immer näher kommen. Da wir alle aus recyceltem Sternmaterial bestehen, sprechen wir davon, unsere wirklichen Quellen zu finden.


Die ersten Sterne und Galaxien des Universums waren von neutralen Atomen umgeben, hauptsächlich Wasserstoffgas, die Sternenlicht absorbierten. Wir können diese ersten Sterne noch nicht direkt beobachten, aber wir können beobachten, was nach einer bestimmten Periode der kosmischen Evolution passiert, was es uns ermöglicht anzunehmen, wann sich eine große Anzahl von Sternen gebildet hat.

Zum ersten Mal können wir erfolgreich davon ausgehen, dass Galaxien Hunderte Millionen Jahre früher existierten, als wir direkt sehen können. Wir sind näher als je zuvor an einer Antwort auf die Frage, wann die ersten Sterne und Galaxien aus der Dunkelheit des frühen Universums erschienen. Und wenn das James Webb-Teleskop im Jahr 2020 auf den Markt kommt, wissen wir genau, was uns erwartet, wenn wir nach Antworten auf eine der größten Fragen zum Weltraum suchen.