Erste Spektren der ältesten Galaxien im Kosmos

Blick zurück zum Anfang: Das James-Webb-Weltraumteleskop hat erstmals Lichtspektren der ältesten Galaxien unseres Kosmos erstellt. Sie zeigen das Alter und die Merkmale von Galaxien, die mehr als 13,4 Milliarden Jahre alt sind. Die älteste von ihnen existierten schon 325 Millionen Jahre nach dem Urknall. Schon diese ersten Spektren liefern neue Einblicke in die Entstehung der ersten Galaxien im frühen Kosmos – und sie sind erst der Anfang.

Wann entstanden die ersten Sterne und Galaxien im Kosmos? Und wie waren sie beschaffen? Eine Antwort auf diese Fragen soll das neue James-Web-Weltraumteleskop liefern. Denn dank seiner hochauflösenden Infrarotoptiken kann es weiter ins All hinausblicken als jedes Teleskop vor ihm. Sein Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) ist eigens darauf ausgelegt, das schwache Nahinfrarotlicht der ältesten Galaxien in seine spektralen Bestandteile zu zerlegen.

Blick zurück zu den ersten Galaxien

Schon in den ersten Aufnahmen des neuen Weltraumtelekops hatten Astronomen mehrere Objekte entdeckt, die zu den ältesten bekannten Galaxien gehören könnten. Der GLASS-z13 getaufte Galaxienkandidat hat eine Rotverschiebung von 13,1 und könnte demnach schon gut 300 Millionen Jahre nach dem Urknall existiert haben. Für diese und einige weitere mit anderen Teleskopen entdeckten Kandidaten fehlten jedoch bisher genauere Spektraldaten, die ihr Alter und ihre Zusammensetzung belegen.

„Es ist wichtig zu belegen, dass diese Galaxien tatsächlich schon im frühen Universum existierten, denn auch uns nähere Galaxien können unter bestimmten Umständen ein höheres Alter vorgaukeln“, erklärt Emma Curtis-Lake von der University of Hertfordshire. Jetzt liefert das James-Webb-Teleskop erstmals genaue Spektren für 250 solcher frühen Galaxien. Erstellt wurden die Spektren mithilfe des NIRSpec-Instruments, das mithilfe seines PRISM-Filters Nahinfrarotlicht von 0,6 bis 5,3 Mikrometern Wellenlänge aufnimmt und zerlegt.

Erste Spektren der ältesten Galaxien

Die spektralen Analysen enthüllten, dass vier der untersuchten Galaxien eine besonders hohe Rotverschiebung aufweisen – sie sind die ältesten jemals spektral charakterisierten Galaxien überhaupt. Der Rekordhalter unter diesen Galaxien, JADES-GS-z13-0, hat eine Rotverschiebung von 13,2. Diese Sternansammlung existierte demnach schon vor rund 13,5 Milliarden Jahren – damals war das Universum erst 325 Millionen Jahre alt. Eine zweite Galaxie hat eine Rotverschiebung von 12,63, auch sie existierte damit rund 350 Millionen Jahre nach dem Urknall.

„Damit haben wir zum ersten Mal Galaxien aus einer so frühen Phase des Kosmos entdeckt“, sagt Brant Robertson von der University of California in Santa Cruz. „Mit dem Webb-Teleskop können wir zudem erstmals spektroskopisch bestätigen, dass sie wirklich so extrem weit entfernt sind. Diese frühen Galaxien in so wundervollen Aufnahmen zu finden ist eine ganz besondere Erfahrung.“

Metallarm, jung und ziemlich schmächtig

Die Spektralanalysen der Uralt-Galaxien lieferten auch erste Informationen über ihre Eigenschaften. Demnach waren alle vier frühen Galaxien eher kleine Sternansammlungen mit einer Sternbildungsrate von rund ein bis zwei Sonnenmassen pro Jahr. „Die Spektren enthüllen, dass diese primordialen Galaxien extrem metallarm sind, zwischen zehn Millionen und wenigen hundert Millionen Sonnenmassen umfassen und noch sehr jung sind „, berichten Curtis-Lake und ihr Team.

Die ältesten Sterne in diesen Galaxien waren wahrscheinlich erst rund 100 Millionen Jahre alt. Sie müssen demnach schon rund 225 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet worden sein. „Damit sehen wir Belege für eine sehr frühe Sternbildung, wie es auch unsere Modelle der Galaxienbildung voraussagen“, erklärt Robertson.

Anfang einer neuen Ära

Schon mit diesen ersten Spektren ferner Galaxien erfüllt das James-Webb-Teleskop alle in es gesetzten Erwartungen. Denn mit ihm hat die Astronomie nun ein Werkzeug, mit dem sie den Uranfang der heutigen Galaxien und Großstrukturen des Alls erkunden kann. „Es ist schwer Galaxien zu verstehen, ohne die Anfangsperioden ihrer Entwicklung zu kennen“, sagt Koautor Sandro Tacchella von der University of Cambridge. „So viele Fragen zu Galaxien haben daher auf die bahnbrechenden Möglichkeiten des Webb-Teleskops gewartet.“

Die Erkundung des frühen Kosmos mit dem James-Webb-Teleskop hat jedoch gerade erst begonnen. Astronomen haben bereits weitere Kandidaten für frühe Galaxien in den Aufnahmen des Teleskops entdeckt, die in naher Zukunft nun ebenfalls spektroskopisch untersucht werden sollen. „Jetzt können wir wirklich damit beginnen herauszufinden, wie Galaxien zu dem wurden, was sie heute sind“, sagt Robertson. (Preprints, 2022; doi: 10.48550/arXiv.2212.04480; Conference: „First Science Results from JWST„)

Quelle: Space Science Institute, NASA, University of California – Santa Cruz