Galaxies

Zwei verschwommen rote Objekte im frühen Universum könnten Galaxien sein, die uns nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall anstrahlen.

Redaktioneller Hinweis (7. April 2022): Diese Geschichte wurde ursprünglich am 26. Januar 2022 veröffentlicht. Das Entdeckungspapier wurde nun zur Veröffentlichung im Astrophysical Journal angenommen; die begleitende Analyse wird zur Veröffentlichung in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society angenommen. Wir haben auch Bilder in der Nachrichtenmeldung unten aktualisiert.


HD1, der Kandidat für die bisher am weitesten entfernte entdeckte Galaxie, erscheint als rotes Objekt in der Mitte des vergrößerten Bildes.Harikane et al.

Astronomen haben möglicherweise die am weitesten entfernten Galaxien gefunden, die jemals gesehen wurden. In zwei auf dem arXiv-Preprint-Server veröffentlichten Artikeln berichten Yuichi Harikane (Universität Tokio) und ein internationales Team von der Entdeckung zweier Quellen, die nur 330 Millionen Jahre nach dem Urknall auf uns zuzuschlagen scheinen. In der Fachsprache der Astronomen entspricht das einer Rotverschiebung von 13. Die Studien wurden zur Veröffentlichung eingereicht, aber noch nicht begutachtet.

Beobachter haben zuvor eine Handvoll Galaxien in den ersten paar hundert Millionen Jahren des Universums gefunden. Der aktuelle Rekordhalter mit einer gesicherten Messung ist GN-z11, angekündigt von Pascal Oesch (jetzt an der Universität Genf) und anderen im Jahr 2016. Die Rotverschiebung von GN-z11 beträgt etwa 11, was bedeutet, dass wir es so sehen, wie es 420 Millionen Jahre nach der Entstehung war das beobachtbare Universum. Andere, weniger eindeutige Funde deuten darauf hin, dass Galaxien um diese Zeit ziemlich reife Sterne hatten, was darauf hindeutet, dass Sterne zum ersten Mal in den ersten 300 Millionen Jahren des Universums aufleuchteten.

Auch wenn sich herausstellt, dass die beiden neuen Galaxien so weit entfernt (und damit so früh) liegen, wie es scheint, gehören sie wahrscheinlich nicht zur Population der ersten Galaxien, sagt Harikane. Basierend auf ihrer Helligkeit können die Galaxien mindestens 1 Milliarde Sonnenmassen in Sternen enthalten – ähnlich wie die Zwerggalaxien der Magellanschen Wolke, und zu kräftig, um die erste Generation zu sein. „Wir glauben, dass sie sich aus kleineren Galaxien entwickelt haben“, sagt er.

Diese zusammengesetzten Nahinfrarotbilder zeigen HD1 und HD2 (rote Objekte), zwei Galaxien im frühen Universum. Sie könnten die frühesten bisher entdeckten Galaxien sein. Y. Harikaneet al.

Die Suche nach den ersten Galaxien

Die ersten Galaxien bereiten die kosmische Bühne vor. Ihre Sterne erzeugten schwerere Elemente (wie Kohlenstoff und Sauerstoff) als die einfachsten Atome, die im Urinferno entstanden, und ihre Schwarzen Löcher wurden zu den Giganten, die wir heute in den Herzen fast jeder massereichen Galaxie sehen.

Diese supermassereichen Schwarzen Löcher stellen ein Rätsel dar. Wissenschaftler haben sie bereits 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall entdeckt, aber diese frühen Exemplare sind viel größer als erwartet – leicht eine Milliarde Sonnenmassen. Es ist schwer zu erklären, wie solche Giganten innerhalb einer mickrigen Milliarde Jahre zusammenkamen. Die ersten Galaxien (und ihre Schwarzen Löcher) zu finden und herauszufinden, wie sie aussahen, als sie entstanden, wird den Astronomen helfen, dieses Rätsel zu lösen.

Vor diesem Hintergrund suchte Harikanes Team nach frühen Galaxien in Archivbildern von einer Kombination aus boden- und weltraumgestützten Teleskopen, die sichtbare und infrarote Wellenlängen abdecken. Sie jagten nach Galaxien, die bei den längsten, rötlichsten Wellenlängen entdeckt wurden, aber bei kürzeren unsichtbar waren. Das liegt daran, dass Photonen mit kurzen, blauwärts gerichteten Wellenlängen (insbesondere diejenigen, die kürzer als 91,2 Nanometer sind) leicht von neutralem Wasserstoff absorbiert werden, entweder innerhalb einer Galaxie oder in Wolken, die zwischen uns und ihr liegen. Dies erzeugt den sogenannten Lyman-Bruch im Spektrum einer Galaxie. Wenn sich das Universum ausdehnt, wird die Galaxie weiter entfernt und ihr Licht dehnt sich zu röteren und röteren Wellenlängen aus, und diese spektrale Markierung in ihrem Licht verschiebt sich nach rot. Das Licht, das von der Galaxie zu uns gelangt, ist allesamt rötlicher als der Bruch, was uns ungefähr sagt, wie stark sich das Licht rot verschoben hat und wie weit wir in der kosmischen Zeit zurückblicken.

Nachdem das Team die Bilder sowohl mit Computern als auch mit Augen durchforstet hatte, fand es zwei Kandidaten namens HD1 und HD2. Astronomen kannten HD1 tatsächlich bereits, hatten sie jedoch als eine viel nähere Galaxie katalogisiert.

körnige Bilder aus schwarzen Punkten vor grauen und weißen statischen HintergründenWenn Sie sich zu längeren, röteren Wellenlängen bewegen (von links nach rechts, die Beschriftungen zeigen das Wellenlängenband an), wird die entfernte Galaxie HD1 sichtbar (zentrale Unschärfe). Y. Harikaneet al.

Als nächstes untersuchte das Team HD1 mit dem ALMA-Radioteleskop in Chile, um zu sehen, ob es die genaue Rotverschiebung des Objekts messen konnte, wodurch bestätigt wurde, dass die Dropout-Technik wirklich frühe Galaxien entdeckt hatte. ALMA entdeckte einen Hinweis auf eine stark rotverschobene Linie von ionisiertem Sauerstoff. Wenn das stimmt, dann bestätigt dieser ionisierte Sauerstoff, dass HD1 eine Rotverschiebung von 13,27 hat – und Bingo, wir haben die früheste Galaxie, die wir bisher gesehen haben. Aber wenn diese Spektrallinie nicht so ist, wie sie scheint, dann könnten HD1 und HD2 mehr als eine Milliarde Jahre später in der kosmischen Geschichte liegen.

„Diese Quellen sind sehr faszinierend, aber ich bin noch nicht zu 100 % von ihrer extrem hochrotverschobenen Natur überzeugt“, beklagt Oesch die nicht schlüssige ALMA-Erkennung.

Zeitleiste des Universums und der am weitesten entfernte GalaxienkandidatDiese Zeitleiste zeigt, wie die Entdeckungen dieser beiden Kandidaten für frühe Galaxien in die Geschichte des Universums passen. Harikane et al. / NASA / ESA / P. Oesch (Universität Yale)

Überraschend hell

Die beiden Galaxien sind heller als für normale Sternentstehungsgalaxien erwartet, ebenso wie einige andere Kandidaten, die in dieser Ära gefunden wurden, einschließlich GN-z11. In einem Begleitpapier zu dem, in dem die Entdeckung angekündigt wurde, betrachten Fabio Pacucci (Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian), Harikane und ihre Kollegen mögliche Gründe für die rätselhaften Helligkeiten.

Sie schlagen vor, dass eine Kombination aus wuchernder Sternengeburt und einem wahnsinnig verschlingenden Schwarzen Loch sowohl HD1 als auch HD2 überraschend leuchtend machen könnte. Reiche Sternentstehung oder ein übereifriges Schwarzes Loch könnten die Strahlung allein erklären, aber das ist etwas schwieriger zu bewerkstelligen.

Wenn Forscher bestätigen, dass HD1 und HD2 frühe Galaxien sind, könnten uns diese Objekte sagen, dass die Sternentstehung im frühen Universum effizienter war. Sie könnten auch Aufschluss darüber geben (Wortspiel beabsichtigt), wie die ersten supermassereichen Schwarzen Löcher entstanden und wuchsen.

Aber wenn sie stattdessen aus einer späteren kosmischen Ära stammen, würden sie zu den wachsenden Beweisen beitragen, dass viele Galaxien der Entdeckung entgangen sind, weil sie in Staub gehüllt sind, was sie zu dunkel und rot macht, als dass sie beispielsweise vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen werden könnten hoch.

„Was auch immer die Art dieser Quellen sein mag, sie sind interessant“, sagt Oesch.

Harikane und mehrere Mitarbeiter haben sich bereits Zeit am neu gestarteten James-Webb-Weltraumteleskop gesichert, um Infrarotspektren von HD1, HD2 und einem dritten Kandidaten aufzunehmen. Sie schätzen, dass JWST und andere geplante Weltraumteleskope in dieser frühen Epoche zusammen mehr als 10.000 Galaxien entdecken könnten.

Verweise:

Y. Harikaneet al. „Eine Suche nach H-Dropout-Lyman-Bruch-Galaxien bei z~13.“ Gepostet auf arXiv.org am 16. Dezember 2021. Eingereicht beim Astrophysical Journal.

F. Pacucciet al. „Sind die neu entdeckten Drop-out-Quellen von z∼13 Starburst-Galaxien oder Quasare?“ Gepostet auf arXiv.org am 3. Januar 2022. Eingereicht bei Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.

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