Webb entdeckt uralte Galaxien, die sich jeder Erklärung entziehen

Forscher untersuchten drei mysteriöse Objekte im frühen Universum. Hier sind ihre Farbbilder zu sehen, die von drei NIRCam-Filterbändern an Bord des James Webb-Weltraumteleskops aufgenommen wurden. Bei roten Wellenlängen sind sie auffallend kompakt (was ihnen die Bezeichnung „kleine rote Punkte“ einbringt), mit einigen Anzeichen einer räumlichen Struktur bei blauen Wellenlängen. Urheberrecht: Bingjie Wang/Penn State

NASA‚S James Webb-Weltraumteleskop Es wurden mysteriöse Objekte im frühen Universum entdeckt, die aktuelle Theorien über Galaxien und massereiche Planeten in Frage stellen. Schwarzes Loch Entwicklung.

Diese Objekte enthalten alte Sterne und massive Schwarze Löcher, die viel größer sind als erwartet, was auf eine schnelle und unkonventionelle Form der frühen Galaxienentstehung hinweist. Die Ergebnisse verdeutlichen erhebliche Diskrepanzen mit aktuellen Modellen und die einzigartigen Eigenschaften der Objekte weisen auf eine komplexe frühe kosmische Geschichte hin.

Eine erstaunliche Entdeckung am Anfang des Universums

Eine aktuelle Entdeckung des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA hat bestätigt, dass extrem rot leuchtende Objekte, die zuvor im frühen Universum entdeckt wurden, lang gehegte Vorstellungen über den Ursprung und die Entwicklung von Galaxien und ihren supermassereichen Schwarzen Löchern in Frage stellen.

Unter der Leitung von Forschern der Penn State University und mithilfe des NIRSpec-Instruments am JWST im Rahmen der RUBIES-Durchmusterung identifizierte das internationale Team drei mysteriöse Objekte aus der Zeit vor 600 bis 800 Millionen Jahren die große ExplosionZu einer Zeit, als das Universum nur 5 % seines heutigen Alters hatte. Sie gaben die Entdeckung am 27. Juni in der Zeitschrift bekannt Astrophysikalische Tagebuchbriefe.

Wissenschaftler analysierten spektroskopische Messungen oder die Intensität verschiedener Wellenlängen des von Objekten emittierten Lichts. Ihre Analyse fand Signaturen „alter“ Sterne, Hunderte Millionen Jahre alt, viel älter als in einem jungen Universum erwartet.

Das James Webb Space Telescope (JWST) bietet einen Einblick in die ferne Vergangenheit des Universums und fängt Bilder der ersten Galaxien und Sterne des Universums ein, die sich vor mehr als 13,5 Milliarden Jahren bildeten. Bildquelle: NASA-Goddard Space Science Center, Adriana M. Gutierrez (CI-Labor)

Unerwartete Entdeckungen in der galaktischen Evolution

Die Forscher sagten, sie seien auch überrascht, Anzeichen von supermassereichen Schwarzen Löchern in denselben Objekten zu entdecken, die ihrer Schätzung nach 100 bis 1.000 Mal massereicher seien als das supermassereiche Schwarze Loch in unserer Galaxie. MilchstraßeNichts davon wird in aktuellen Modellen des Galaxienwachstums und der Bildung supermassereicher Schwarzer Löcher erwartet, die das Zusammenwachsen von Galaxien und ihren Schwarzen Löchern über Milliarden von Jahren der Geschichte des Universums vorhersagen.

„Wir haben bestätigt, dass diese Objekte voller alter Sterne zu sein scheinen – Hunderte Millionen Jahre alt – in einem Universum, das nur 600 bis 800 Millionen Jahre alt ist“, sagte Bingyi Wang, Postdoktorand an der Penn State und Hauptautor von Die Studie: „Diese Objekte sind der Rekord für die ältesten Signaturen des antiken Sternenlichts.“ „Es war völlig unerwartet, in einem so jungen Universum alte Sterne zu finden. Standardmodelle der Kosmologie und Galaxienentstehung waren unglaublich erfolgreich, diese leuchtenden Objekte passen jedoch nicht bequem in diese Theorien.“

Forscher entdeckten die massiven Objekte erstmals im Juli 2022, als der erste Datensatz von JWST veröffentlicht wurde. Das Team veröffentlichte eine Forschungsarbeit in Natur Einige Monate später wurde die Existenz dieser Dinge bekannt gegeben.

Herausforderungen bei der kosmischen Beobachtung

Damals vermuteten die Forscher, dass es sich bei diesen Objekten um Galaxien handelte, doch sie führten ihre Analyse durch die Aufnahme von Spektren fort, um die wahren Entfernungen der Objekte sowie die Quellen, die ihr massives Licht speisen, besser zu verstehen.

Anschließend nutzten die Forscher die neuen Daten, um ein klareres Bild davon zu zeichnen, wie Galaxien aussehen und was sich in ihnen befindet. Das Team bestätigte nicht nur, dass es sich bei diesen Galaxien tatsächlich um Galaxien am Beginn der Zeit handelte, sondern fand auch Hinweise auf überraschend massereiche Schwarze Löcher und eine überraschend alte Sternenpopulation.

„Es ist sehr rätselhaft“, sagte Joel Lyga, Assistenzprofessor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State University und Co-Autor der beiden Arbeiten. „Sie können dies unbequem mit unserem aktuellen Modell des Universums vereinbaren, aber nur, wenn wir etwas heraufbeschwören.“ Wahnsinnig schnelle, seltsame Formationen zu Beginn der Zeit. Dies ist ohne Zweifel die ungewöhnlichste und interessanteste Sammlung von Objekten, die ich je in meiner Karriere gesehen habe.

Das James-Webb-Teleskop wurde entwickelt, um Phänomene zu beobachten, die unmittelbar nach dem Urknall auftraten. Dabei nutzte es seine fortschrittlichen Infrarotfähigkeiten, um durch kosmischen Staub zu blicken und verborgene Strukturen im Weltraum aufzuspüren. Urheberrecht: Northrop Grumman

Geheimnisse antiker galaktischer Strukturen

Das James-Webb-Teleskop ist mit Infrarotsensoren ausgestattet, die das von den ältesten Sternen und Galaxien emittierte Licht erfassen können. Lega sagte, dass dieses Teleskop es Wissenschaftlern ermöglicht, zu sehen, was in der Vergangenheit vor etwa 13,5 Milliarden Jahren geschah, also kurz vor dem Beginn des Universums, wie wir es kennen.

Eine Herausforderung bei der Analyse antiken Lichts besteht darin, dass es schwierig sein kann, zwischen den Objekttypen zu unterscheiden, die möglicherweise das Licht abgegeben haben. Im Fall dieser frühen Objekte weisen sie klare Merkmale sowohl massereicher Schwarzer Löcher als auch alter Sterne auf. Wang erklärte jedoch, es sei noch nicht klar, wie viel des beobachteten Lichts von jeder einzelnen Galaxie stamme – was bedeutet, dass es sich um unerwartet alte frühe Galaxien handeln könnte, die noch massereicher als die Milchstraße sind und sich viel früher gebildet haben, als die Modelle vorhersagen Es wird mehr Galaxien normaler Masse mit „supermassereichen“ Schwarzen Löchern geben, die etwa 100 bis 1.000 Mal größer sind als eine solche Galaxie heute.

„Die Unterscheidung zwischen Licht, das von Materie emittiert wird, die in ein Schwarzes Loch fällt, und Licht, das von Sternen in diesen kleinen, weit entfernten Objekten emittiert wird, ist sehr schwierig“, sagte Wang. „Da wir den Unterschied im aktuellen Datensatz nicht erkennen können, bleibt noch viel Spielraum.“ Offen gesagt ist es „aufregend, dass so viel von diesem Rätsel ungelöst bleibt.“

Abgesehen von ihrer unerklärlichen Masse und ihrem unerklärlichen Alter: Wenn ein Teil des Lichts von supermassereichen Schwarzen Löchern stammt, dann handelt es sich nicht um gewöhnliche supermassereiche Schwarze Löcher. Sie produzieren weit mehr ultraviolette Photonen als erwartet, und ähnlichen Objekten, die mit anderen Instrumenten untersucht wurden, fehlen die Merkmale supermassereicher Schwarzer Löcher, wie heißer Staub und helle Röntgenemission. Aber was vielleicht am überraschendsten ist, sagten die Forscher, ist, wie groß es ist.

„Supermassereiche Schwarze Löcher werden normalerweise mit Galaxien in Verbindung gebracht“, sagte Lyja. „Sie wachsen zusammen und machen alle wichtigen Lebenserfahrungen zusammen, aber hier lebt ein ausgewachsenes schwarzes Loch in etwas, das eine Babygalaxie sein sollte.“ macht eigentlich keinen Sinn, denn diese Dinge „Man muss zusammenwachsen, dachten wir zumindest.“

Die Forscher waren auch verwirrt über die extrem geringe Größe dieser Systeme, die nur wenige hundert Lichtjahre im Durchmesser haben und damit fast tausendmal kleiner sind als unsere Milchstraßengalaxie. Die Anzahl der Sterne in diesen Systemen entspricht ungefähr der Anzahl der Sterne in unserer Milchstraße – die Anzahl der Sterne in diesen Systemen reicht von zehn Milliarden bis zu einer Billion Sternen –, sie sind jedoch auf ein etwa tausendmal kleineres Volumen beschränkt als die Milchstraße.

Leija erklärte, wenn wir die Milchstraße nehmen und sie auf die Größe der Galaxien komprimieren würden, die wir gefunden haben, würde sich der nächstgelegene Stern ungefähr in unserem Sonnensystem befinden. Das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, das etwa 26.000 Lichtjahre entfernt ist, wird nur etwa 26 Lichtjahre von der Erde entfernt sein und am Himmel als riesige Lichtsäule sichtbar sein .

„Diese frühen Galaxien waren voller Sterne – Sterne, die sich auf eine Weise gebildet haben mussten, die wir noch nie zuvor gesehen hatten, unter Bedingungen, die wir nie erwartet hatten, in einer Zeit, in der wir nie erwartet hatten, sie zu sehen“, sagte Lyja. Aus irgendeinem Grund hat das Universum nach nur wenigen Milliarden Jahren aufgehört, solche Dinge zu erschaffen. „Es ist einzigartig im frühen Universum.“

Die Forscher hoffen, weitere Beobachtungen machen zu können, die ihrer Meinung nach dazu beitragen könnten, einige der Geheimnisse der Objekte zu erklären. Sie planen, tiefere Spektren aufzunehmen, indem sie das Teleskop über längere Zeiträume auf Objekte richten. Dies wird dazu beitragen, die Emissionen von Sternen und einem möglichen supermassereichen Schwarzen Loch zu entwirren, indem spezifische Absorptionssignaturen identifiziert werden, die in jedem vorhanden sein können.

„Es gibt einen anderen Weg, wie wir einen Durchbruch erzielen können, und das ist die richtige Idee“, sagte Lega. „Wir haben alle diese Puzzleteile und sie können nur gelöst werden, wenn wir die Tatsache ignorieren, dass einige von ihnen kaputt gehen könnten. Dieses Problem ist mit einem Geniestreich lösbar, der uns, allen unseren Kollegen und der gesamten Wissenschaft bisher entgangen ist.“ Gemeinschaft.“

Referenz: „RUBIES: Sternhaufen mit erweiterter Entstehungsgeschichte bei z ∼ 7–8 haben sich in potenziellen massiven Galaxien entwickelt, die mithilfe von JWST/NIRSpec identifiziert wurden“ von Bingjie Wang, 冰洁王, Joel Leja, Anna de Graaff, Gabriel B. Brammer, Andrea Weibel, Pieter van Dokkum, Josephine F. W. Baggen, Katherine A. Suess, Jenny E. Greene, Rachel Bezanson, Nikko J. Cleri, Michaela Hirschmann, Ivo Labbé, Jorryt Matthee, Ian McConachie, Rohan P. Naidu, Erica Nelson, Pascal A . Oesch, David J. Setton und Christina C. Williams, 26. Juni 2024, Astrophysikalische Tagebuchbriefe.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad55f7

Wang und Lija erhielten Mittel vom Public Observers Program der NASA. Die Forschung wurde auch vom International Space Science Institute in Bern unterstützt. Die Arbeit basiert zum Teil auf Beobachtungen, die mit dem James Webb Space Telescope der NASA, der Europäischen Weltraumorganisation und der Canadian Space Agency gemacht wurden. Die für die Forschung notwendigen Berechnungen wurden auf dem Rohr-Supercomputer des Institute for Computing and Data Science der Penn State University durchgeführt.

Zu den Co-Autoren der Forschung gehören Anna de Graaf vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Deutschland; Gabriel Brammer vom Cosmic Dawn Center und dem Niels Bohr Institut; Andrea Fiebel und Pascal Ochs von der Universität Genf; und Nico Cleary, Michaela Hirschmann, Peter van Dokkum und Rohan Naidu von der Universität Genf. Yale Universität; Ivo Lappé von der Stanford University; Jorrit Mathie und Jenny Green aus Princeton UniversitätIan McConachie und Rachel Bezanson von der University of Pittsburgh; Josephine Baggin von der Texas A&M University; Catherine Suss vom Soverny Observatory in der Schweiz; David Seaton vom Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT; Erica Nelson von der University of Colorado; und Christina Williams vom National Infrarot Optical Astronomy Research Laboratory der US National Science Foundation und der University of Arizona.