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Wenn ich von den am weitesten entfernten Objekten im Universum höre, wie der kürzlich entdeckten Galaxie GN-z11, werden ihre Entfernungen normalerweise mit etwas weniger als 14 Milliarden Lichtjahren angegeben…
Aber das beobachtbare Universum hat einen Radius von 46,5 Milliarden Lichtjahren… Also…
Berücksichtigt die Entfernung von etwa 13,4 Milliarden Lichtjahren für GN-z11 die Ausdehnung des Universums selbst? So genannte „Mitbewegungsdistanz“? Oder ist es tatsächlich derzeit etwa 13,4 Milliarden Lichtjahre entfernt?
Laut Wikipedia hat GN-z11 eine Rotverschiebung von 11,09, was laut Ned Wrights Kosmologie-Rechner einer Lichtlaufzeit von etwa 13 Milliarden Jahren und einer sich mitbewegenden radialen Distanz von etwa 32 Milliarden Lichtjahren entspricht.
Die mitbewegte radiale Entfernung ist das Entfernungsmaß, in Bezug auf das der Durchmesser des beobachtbaren Universums etwa 46 Milliarden Lichtjahre beträgt, also ist dies das, was Sie in diesem Zusammenhang wünschen.
Viele Leute verstehen die Auswirkungen der kosmologischen Expansion nicht und denken, dass, wenn die Lichtlaufzeit 13 Milliarden Jahre beträgt, die Entfernung zur Galaxie 13 Milliarden Lichtjahre betragen muss (oder gewesen sein muss). Sie sind sich sicher genug, dass sie diese Entfernung als Tatsache angeben, ohne preiszugeben, dass sie sie selbst berechnet haben. Aus diesem Grund kann man Entfernungen in populären Artikeln im Allgemeinen nicht trauen. Sie können der Rotverschiebung vertrauen, wenn sie gemeldet wird, und Sie können wahrscheinlich den Zeiten vertrauen (entweder der Lichtreisezeit oder der Zeit seit dem Urknall).
Fast jede Galaxie beherbergt in ihrem Zentrum ein Monster – ein supermassives Schwarzes Loch, das Millionen bis Milliarden Mal so groß wie die Sonne ist. Obwohl es noch viel über diese Objekte zu lernen gibt, glauben viele Wissenschaftler, dass sie für die Entstehung und Struktur von Galaxien von entscheidender Bedeutung sind. Darüber hinaus sind einige dieser Schwarzen Löcher besonders aktiv und wirbeln Sterne, Staub und Gas zu leuchtenden Akkretionsscheiben auf, die starke Strahlung in den Kosmos abgeben, während sie Materie um sie herum verbrauchen. Diese Quasare gehören zu den am weitesten entfernten Objekten, die Astronomen sehen können, und es gibt jetzt einen neuen Rekord für das am weitesten entfernte, das jemals beobachtet wurde.
Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des ehemaligen Postdoktoranden der UC Santa Barbara, Feige Wang und darunter Professor Joe Hennawi und der derzeitige Postdoc Riccardo Nanni, gab die Entdeckung von J0313-1806 bekannt, dem bisher am weitesten entfernten Quasar. So gesehen, wie er vor mehr als 13 Milliarden Jahren erschienen wäre, ist dieser vollständig ausgebildete entfernte Quasar auch der früheste, der bisher entdeckt wurde, und bietet Astronomen Einblicke in die Entstehung massereicher Galaxien im frühen Universum. Die Ergebnisse des Teams wurden auf der Sitzung der American Astronomical Society im Januar 2021 veröffentlicht und in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Quasare sind die energiereichsten Objekte im Universum. Sie treten auf, wenn Gas in der überhitzten Akkretionsscheibe um ein supermassereiches Schwarzes Loch unaufhaltsam nach innen gezogen wird und Energie über das elektromagnetische Spektrum abgibt. Dabei werden enorme Mengen elektromagnetischer Strahlung freigesetzt, wobei die massereichsten Exemplare ganze Galaxien leicht in den Schatten stellen.
Quasar J0313-1806 liegt 13 Milliarden Lichtjahre entfernt und existierte nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall. Es wird vom frühesten bekannten supermassiven Schwarzen Loch angetrieben, das trotz seiner frühen Entstehung immer noch mehr als das 1,6-Milliarden-fache der Sonnenmasse wiegt. Tatsächlich überstrahlt J0313-1806 die moderne Milchstraße um den Faktor 1.000.
„Die am weitesten entfernten Quasare sind entscheidend für das Verständnis der Entstehung der frühesten Schwarzen Löcher und für das Verständnis der kosmischen Reionisation – des letzten großen Phasenübergangs unseres Universums“, sagte Co-Autor Xiaohui Fan, Professor für Astronomie an der University of Arizona.
Die Präsenz eines so massereichen Schwarzen Lochs zu einem so frühen Zeitpunkt in der Geschichte des Universums stellt die Theorien zur Entstehung Schwarzer Löcher in Frage. Als Hauptautor erklärt Wang, jetzt Hubble-Stipendiat der NASA an der University of Arizona: “Schwarze Löcher, die von den allerersten massereichen Sternen geschaffen wurden, hätten in nur wenigen hundert Millionen Jahren nicht so groß werden können.“
Der Quasar taucht in den Daten der Forscher nur als Fleck auf.
Bildnachweis: FEIGE WANG ET AL.
Das Team entdeckte J0313-1806 zum ersten Mal, nachdem es Daten aus großflächigen digitalen Himmelsdurchmusterungen durchkämmt hatte. Ausschlaggebend für die Charakterisierung des neuen Quasars war ein qualitativ hochwertiges Spektrum, das am WM Keck Observatory gewonnen wurde: „Über die University of California Observatories haben wir privilegierten Zugang zu den Keck-Teleskopen auf dem Gipfel des Mauna Kea, wodurch wir eine hohe Qualität erhalten konnten Daten zu diesem Objekt, kurz nachdem es von anderen Teleskopen als Quasar bestätigt wurde“, sagte Hennawi.
Die Beobachtungen des Keck-Observatoriums haben nicht nur das Monster-Schwarze Loch gewogen, sondern auch einen außergewöhnlich schnellen Ausfluss entdeckt, der vom Quasar in Form eines Hochgeschwindigkeitswinds mit 20% der Lichtgeschwindigkeit ausgeht. „Die Energie, die durch einen so extremen Hochgeschwindigkeitsausfluss freigesetzt wird, ist groß genug, um die Sternentstehung in der gesamten Quasarwirtsgalaxie zu beeinflussen“, sagte Jinyi Yang vom Steward Observatory der University of Arizona.
Die frühe Galaxie, in der sich der Quasar befindet, erlebt eine Welle der Sternentstehung, die 200-mal schneller neue Sterne hervorbringt als die heutige Milchstraße. Das System ist das früheste bekannte Beispiel für einen Quasar, der das Wachstum seiner Wirtsgalaxie formt. Die Kombination dieser intensiven Sternentstehung, des leuchtenden Quasars und des Hochgeschwindigkeitsausflusses machen J0313-1806 und seine Wirtsgalaxie zu einem vielversprechenden natürlichen Labor für das Verständnis des Wachstums supermassereicher Schwarzer Löcher und ihrer Wirtsgalaxien im frühen Universum.
„Dies wäre ein großartiges Ziel, um die Entstehung der frühesten supermassereichen Schwarzen Löcher zu untersuchen“, schloss Wang. „Wir hoffen auch, mehr über die Auswirkungen von Quasar-Ausströmen auf ihre Wirtsgalaxie zu erfahren – und zu erfahren, wie sich die massereichsten Galaxien im frühen Universum gebildet haben.“
Das Auffinden dieser entfernten Quasare erfordert eine unglaublich mühsame Arbeit, da sie wie Nadeln im Heuhaufen sind. Astronomen gewinnen digitale Bilder von Milliarden von Himmelsobjekten, um vielversprechende Quasar-Kandidaten zu finden. „Die aktuelle Erfolgsquote beim Auffinden dieser Objekte liegt bei etwa 1%. Du musst viele Frösche küssen, bevor du deinen Prinzen findest“, bemerkte Hennawi.
Hennawi, Wang und Nanni entwickeln Machine-Learning-Tools, um diese Big Data zu analysieren und das Auffinden entfernter Quasare effizienter zu gestalten. „In den kommenden Jahren werden der Euclid-Satellit der Europäischen Weltraumorganisation und das James Webb-Weltraumteleskop der NASA es uns ermöglichen, in dieser Entfernung oder weiter vielleicht hundert Quasare zu finden“, sagte Hennawi. „Mit einer großen statistischen Stichprobe dieser Objekte werden wir in der Lage sein, eine präzise Zeitleiste der Reionisationsepoche zu konstruieren und mehr Licht auf die Entstehung dieser massiven Schwarzen Löcher zu werfen.“
Galaxie am Rand des Universums entdeckt
Die Galaxie, die mehr als 14 Milliarden Lichtjahre entfernt sein könnte, bietet den frühesten Einblick in das Universum, als sich Galaxien und Sterne bildeten.
"Wenn wir das Alter des Universums auf die Lebenszeit einer Person skalieren, zeigen wir Ihnen Babybilder", sagte die leitende Astronomin Esther Hu von der University of Hawaii.
"Der letzte Galaxien-Schnappschuss zeigte ein Kleinkind, das gerade seinen vierten Geburtstag hatte. Dieser ist dreieinhalb Jahre alt", sagte sie.
Das Licht der Galaxie, das Milliarden von Jahren benötigt, um zur Erde zu reisen, stellt eine Probe des Universums dar, als es etwa 750 Millionen Jahre alt war, etwa 50 Millionen Jahre früher als das des zweitfernsten bekannten Objekts.
Das Universum begann vor etwa 14 bis 16 Milliarden Jahren mit dem Urknall, nach dem am weitesten verbreiteten kosmologischen Modell.
Der Himmel dehnte und kühlte sich ungefähr 500 Millionen Jahre lang aus. Während der nächsten 500 Millionen Jahre, dem sogenannten Dunklen Zeitalter, verklumpte das kalte Gas dann zu Galaxien. Die dunkle Epoche endete, als die Galaxien ins Licht brachen.
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| Die entfernte Galaxie, angezeigt durch zwei schwarze Markierungen, erscheint in einem schmalen Lichtband außerhalb des sichtbaren Spektrums. Der Einschub zeigt das Schmalbandbild ohne das Licht der Nachbargalaxie. | |
Zumindest behauptet das die konventionelle Theorie über die frühe Entwicklung des Universums. Das neue Objekt hat Astronomen gezwungen, ihre Ideen zu überarbeiten.
"Diese Galaxie bildet Sterne zu einer Zeit, von der spekuliert wird, dass sie sich im dunklen Zeitalter des Universums befindet, wenn Galaxien beginnen, sich einzuschalten", sagte Hu.
Der bisherige Rekordhalter gehört zu einer seltenen Klasse von Objekten, die als Quasare bekannt sind, extrem helle galaktische Kerne, die von Schwarzen Löchern angetrieben werden könnten.
Um die viel lichtschwächere Galaxie zu finden, verließen sich die Wissenschaftler auf eine skurrile Suchmethode mit einer Gravitationslinse im Weltraum.
Die Schwerkraft eines dichten Haufens von Galaxien in etwa 6 Millionen Lichtjahren Entfernung, bekannt als das Abell-370-Haufenfeld, beugte und fokussierte das Licht der viel weiter entfernten Galaxie und wirkte de-facto wie eine Lupe.
Die Arbeit des Teams wird in der Ausgabe der Astrophysical Journal Letters vom 1. April erscheinen.
NASA-Teleskope helfen bei der Identifizierung des weitesten Galaxienhaufens
Astronomen haben eine aufstrebende galaktische Metropole entdeckt, die am weitesten entfernte bekannte im frühen Universum. Diese uralte Ansammlung von Galaxien wuchs vermutlich zu einem modernen Galaxienhaufen heran, der den heutigen massereichen ähnelt.
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--> PASADENA, Kalifornien -- Astronomen haben eine aufstrebende galaktische Metropole entdeckt, die am weitesten entfernte bekannte im frühen Universum. Diese uralte Ansammlung von Galaxien wuchs vermutlich zu einem modernen Galaxienhaufen heran, der den heutigen massereichen ähnelt.
Der sich entwickelnde Cluster mit dem Namen COSMOS-AzTEC3 wurde von Multi-Wellenlängen-Teleskopen entdeckt und charakterisiert, darunter die Spitzer-, Chandra- und Hubble-Weltraumteleskope der NASA und das bodengestützte W.M. Keck-Observatorium und Japans Subaru-Teleskop.
„Diese aufregende Entdeckung zeigt die außergewöhnliche Wissenschaft, die durch die Zusammenarbeit zwischen NASA-Projekten und unseren internationalen Partnern ermöglicht wurde“, sagte Jon Morse, Direktor der NASA-Abteilung für Astrophysik im NASA-Hauptquartier in Washington.
Wissenschaftler bezeichnen diesen wachsenden Galaxienhaufen als Proto-Cluster. COSMOS-AzTEC3 ist der am weitesten entfernte bekannte massereiche Proto-Cluster und auch einer der jüngsten, da er gesehen wurde, als das Universum selbst noch jung war. Der Cluster ist etwa 12,6 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Unser Universum wird auf 13,7 Milliarden Jahre geschätzt. Zuvor wurden reifere Versionen dieser Cluster in einer Entfernung von 10 Milliarden Lichtjahren gesichtet.
Die Astronomen fanden auch heraus, dass dieser Haufen von extremen Sternentstehungsausbrüchen und einem riesigen schwarzen Loch, das sich nährt, summt.
"Wir glauben, dass die Starbursts und Schwarzen Löcher die Keime des Clusters sind", sagte Peter Capak vom Spitzer Science Center der NASA am California Institute of Technology in Pasadena. "Diese Samen werden schließlich zu einer riesigen zentralen Galaxie heranwachsen, die den Haufen dominieren wird - eine Eigenschaft, die in modernen Galaxienhaufen zu finden ist." Capak ist Erstautor eines Artikels, der in der Ausgabe vom 13. Januar der Zeitschrift Nature erscheint.
Die meisten Galaxien in unserem Universum sind zu Haufen zusammengeschlossen, die die kosmische Landschaft wie urbane Zersiedelung durchziehen, normalerweise um eine alte, monströse Galaxie mit einem massereichen Schwarzen Loch zentriert. Astronomen dachten, dass primitive Versionen dieser Haufen, die sich immer noch bilden und zusammenklumpen, im frühen Universum existieren sollten. Aber es erwies sich als schwierig, einen zu finden – bis jetzt.
Capak und seine Kollegen nutzten zuerst das Chandra X-ray Observatory und das James Clerk Maxwell Telescope des Vereinigten Königreichs auf dem Mauna Kea, Hawaii, um nach Schwarzen Löchern und Sternentstehungsausbrüchen zu suchen, die zur Bildung der massereichen Galaxien in den Zentren moderner Galaxienstädte erforderlich sind . Die Astronomen verwendeten dann die Hubble- und Subaru-Teleskope, um die Entfernungen zu diesen Objekten abzuschätzen und nach Galaxien mit höherer Dichte um sie herum zu suchen. Schließlich wurde das Keck-Teleskop verwendet, um zu bestätigen, dass sich diese Galaxien in derselben Entfernung befinden und Teil derselben galaktischen Ausbreitung sind.
Nachdem die Wissenschaftler diese Anhäufung von Galaxien gefunden hatten, maßen sie mit Hilfe von Spitzer die kombinierte Masse. In dieser Entfernung wird das optische Licht von Sternen zu infraroten Wellenlängen verschoben oder gestreckt, die nur von Spitzer im Weltraum beobachtet werden können. Es stellte sich heraus, dass die Pauschalsumme der Masse mindestens 400 Milliarden Sonnen betrug – genug, um darauf hinzuweisen, dass die Astronomen tatsächlich einen massiven Proto-Cluster entdeckt hatten. Die Spitzer-Beobachtungen halfen auch zu bestätigen, dass eine massereiche Galaxie im Zentrum des Haufens mit beeindruckender Geschwindigkeit Sterne bildete.
Chandra-Röntgenbeobachtungen wurden verwendet, um das riesige Schwarze Loch mit einer Masse von mehr als 30 Millionen Sonnen zu finden und zu charakterisieren. Massive Schwarze Löcher sind in heutigen Galaxienhaufen üblich, aber dies ist das erste Mal, dass ein nährendes Schwarzes Loch dieser Größe mit einem so jungen Haufen in Verbindung gebracht wird.
Schließlich maßen das Interferometer-Teleskop des Institut de Radioastronomie Millimétrique in Frankreich und das 30-Meter-Teleskop in Spanien zusammen mit dem Very Large Array-Teleskop des National Radio Astronomy Observatory in New Mexico die Menge an Gas oder Treibstoff für die Zukunft Sternentstehung, im Cluster. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Haufen weiter zu einer modernen Galaxienstadt heranwachsen wird.
"Es brauchte wirklich ein ganzes Dorf von Teleskopen, um diesen Haufen zu nageln", sagte Capak. "Beobachtungen über das elektromagnetische Spektrum, von Röntgenstrahlen bis zu Millimeterwellenlängen, waren alle entscheidend, um einen umfassenden Überblick über die vielen Facetten des Clusters zu erhalten."
COSMOS-AzTEC3, das sich im Sternbild Sextans befindet, ist nach der Region benannt, in der es gefunden wurde und nach dem Cosmic Evolution Survey COSMOS genannt wird. AzTEC ist der Name der Kamera, die am James Clerk Maxwell Telescope verwendet wird. Diese Kamera ist jetzt auf dem Weg zum Large Millimeter Telescope im mexikanischen Bundesstaat Puebla.
Was ist ein Quasar?
Laut NASA:
Viele Astronomen glauben, dass Quasare die am weitesten entfernten Objekte sind, die bisher im Universum entdeckt wurden.
Quasare geben enorme Energiemengen ab – sie können eine Billion mal heller sein als die Sonne!
Es wird angenommen, dass Quasare ihre Energie aus massereichen Schwarzen Löchern im Zentrum der Galaxien produzieren, in denen sich die Quasare befinden.
Weil Quasare so hell sind, übertönen sie das Licht aller anderen Sterne in derselben Galaxie.
In die Kehle eines uralten, *extrem* weit entfernten Schwarzen Lochs starren
Mit einem der größten optischen Lichtteleskope der Welt haben Astronomen eines der seltensten Tiere im Universum identifiziert: An äußerst entfernter Galaxientyp, genannt BL Lac-Objekt, das supermassive Schwarze Loch einer Galaxie, das einen Energiestrahl aussendet, der so stark ist, dass er das Licht der gesamten Galaxie, aus der es stammt, in den Schatten stellt.
Obwohl über hundert BL Lac-Objekte bekannt sind, ist dies das erste, das jemals in dieser unglaublichen Entfernung gesehen wird – das Licht, das wir von ihm sehen, ist gereist 12 Milliarden Jahre zu uns zu kommen. Wir sehen diese Galaxie so, wie sie war, als das Universum weniger als 2 Milliarden Jahre alt war.
Mehr schlechte Astronomie
Und das ist eine interessante Situation: Wir dachten nicht, dass BL Lac-Objekte so früh in der Geschichte des Universums existieren könnten.
Kunstwerk, das ein supermassives Schwarzes Loch darstellt, das von einer Akkretionsscheibe und einer magnetischen Korona umgeben ist, mit starken Jets, die in entgegengesetzte Richtungen starten. Bildnachweis: NASA/CXC/M. Weiss
Jede große Galaxie im Universum hat ein zentrales supermassereiches Schwarzes Loch, im Allgemeinen ein paar Millionen bis zu einigen Milliarden Sonnenmassen. Material, das in dieses Schwarze Loch fällt, bildet eine riesige Scheibe, die unglaublich heiß wird. Das Magnetfeld der Scheibe wird durch die Rotation der Scheibe verdreht und bildet im Zentrum einen Wirbel wie ein magnetischer Tornado. Das Feld ist so stark, dass es Materie vom Schwarzen Loch wegziehen und es fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen kann.
Wir nennen Galaxien so aktive Galaxien. Wir sehen viel Strahlung von ihnen, aber nur eine kleine Untergruppe scheint Gammastrahlen zu emittieren, die allerhöchste Energieform des Lichts. Wir denken, dass wir Gammastrahlen von ihnen nur dann sehen können, wenn wir zufällig den Materialstrahl sehen, der fast genau auf uns gerichtet ist. Wenn wir es schräg sehen, verfehlen uns die Gammastrahlen.
Solche Galaxien heißen Blazare, und das bedeutet, dass wir eine Galaxie nur dann als Blazar sehen, wenn wir in den Lauf dieses Strahls starren. Das ist beunruhigend. Ich bin froh, dass sie dazu neigen, extrem weit von uns entfernt zu sein.
Künstlerzeichnung eines Blazars, einer Galaxie mit einem supermassiven Schwarzen Loch, das Energie ausspeist. Quelle: DESY, Wissenschaftskommunikationslabor
Blazars gibt es in zwei Geschmacksrichtungen. Einer wird als Flat Radio Spectrum Quasare (oder FRSQs) bezeichnet, und sie neigen dazu, ihre Helligkeit auf kurzen Zeitskalen zu ändern. Wir sehen auch Licht von ihnen, das für Kohlenstoff und Sauerstoff charakteristisch ist, die auf hohe Temperaturen erhitzt werden (emittiert in sehr scharf definierten Farben, genannt Emissionslinien).
Galaxien in der anderen Kategorie werden BL Lac-Objekte genannt, benannt nach dem ersten gefundenen, genannt BL Lacertae (ein unterschiedlich helles Objekt im Sternbild Lacerta, die Eidechse). Diese ähneln FRSQs, zeigen jedoch nicht die hellen Emissionslinien. Wir denken, dass FRSQs junge bis reife Galaxien sind, die sich schließlich ein wenig niederlassen und zu BL Lac-Objekten werden.
Das würde bedeuten, dass wir, wenn wir weit genug in der Geschichte des Universums zurückblicken, keine BL Lac-Objekte mehr sehen und nur noch FRSQs sehen. Diese neue Beobachtung macht diese Schlussfolgerung etwas schwieriger.
Ein Bild des BL Lac-Objekts 4FGL J1219.0+3653 (Mitte) zusammen mit einigen Vordergrundgalaxien und einem Stern (links), der verwendet wurde, um einen Spalt auszurichten, um Licht von der Galaxie durch das Teleskop zum Spektrographen zu lassen. Quelle: Paliya et al.
Das fragliche Objekt heißt 4FGL J1219.0+3653 (nennen wir es kurz J1219) und wurde vom umkreisenden Fermi-Gammastrahlen-Observatorium entdeckt, dass es Gammastrahlen aussendet. Es ist eindeutig ein Blazar, aber welcher Geschmack?
Mit dem riesigen 10,4 Meter großen Gran Telescopio Canarias auf der Insel La Palma beobachtete ein Team von Astronomen J1219 und nahm ein Spektrum davon auf. Sie fanden überhaupt keine Emissionslinien, was deutlich macht, dass es sich um ein BL Lac-Objekt und nicht um ein FRSQ handelt. Sie konnten auch ihre enorme Entfernung von 12 Milliarden Lichtjahren bestätigen, was sie mit etwa 800 Millionen Lichtjahren zur mit Abstand am weitesten entfernten BL Lac-Galaxie macht, die jemals gesehen wurde.
Und das ist ein kleines Problem! Wenn FRSQs schließlich zu BL Lac-Objekten werden, dann bedeutet die Jugend dieses Objekts, dass dies früher als gedacht passieren kann. Trotzdem sagen die Astronomen voraus, dass es nur zwei gibt – 2! — BL Lacs, die es so weit von uns geben sollte im gesamten beobachtbaren Universum. Und hier haben sie einen von ihnen gefunden.
Das ist sehr cool. Und es impliziert, was als nächstes zu tun ist: Finden Sie mehr von ihnen. Wenn ein anderer gefunden wird, dann OK. Die Dinge sind immer noch gut. Aber wenn im Laufe der Zeit mehr als das gefunden werden, wirft dies die Evolutionspfad-Idee dieser Objekte in Frage. Um ehrlich zu sein, ist vieles über das Verhalten von Blazaren unbekannt (es ist nicht einmal ganz klar, warum wir Emissionslinien von FRSQs und keine BL Lac-Objekte sehen), daher ist dies im Moment ein offenes Forschungsgebiet.
Die Sache ist, dass es riesige Teleskope wie das auf La Palma braucht, um ausreichend Spektren dieser erschreckend weit entfernten Bestien zu erhalten. Es kann also eine Weile dauern, bis Astronomen wissen, ob am Rande des beobachtbaren Universums mehr BL Lac-Galaxien existieren. Vielleicht ist J1219 allein. Vielleicht hat es ein oder zwei Geschwister oder mehr. Wir werden es noch eine Weile nicht wissen.
Dies tief in das Universum zu blicken ist extrem schwierig und etwas, das wir erst seit relativ kurzer Zeit tun konnten. Es ist in vielerlei Hinsicht noch unbekannt.
Und auch in vielerlei Hinsicht hic sunt dracones – hier sind Drachen. Feuerspeiende Monster in universus inkognita. Hört sich richtig an.
Zeuge der kosmischen Morgenröte – 250 Millionen bis 350 Millionen Jahre nach dem Beginn des Universums
Standbild eines Videos, das die Entstehung und Entwicklung der ersten Sterne und Galaxien in einem virtuellen Universum ähnlich unserem eigenen zeigt. Bildnachweis: Dr. Harley Katz, Beecroft Fellow, Department of Physics, University of Oxford Die kosmische Morgendämmerung, als sich zum ersten Mal Sterne bildeten, ereignete sich 250 Millionen bis 350 Millionen Jahre nach dem Beginn von&hellip
Standbild eines Videos, das die Entstehung und Entwicklung der ersten Sterne und Galaxien in einem virtuellen Universum ähnlich unserem eigenen zeigt. Quelle: Dr. Harley Katz, Beecroft Fellow, Department of Physics, University of Oxford
Die kosmische Morgendämmerung, als sich zum ersten Mal Sterne bildeten, ereignete sich 250 Millionen bis 350 Millionen Jahre nach dem Beginn des Universums, so eine neue Studie, die von Forschern des University College London (UCL) und der University of Cambridge geleitet wurde.
Die Studie, veröffentlicht im Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society, schlägt vor, dass das James Webb Space Telescope (JWST) der NASA, das im November starten soll, empfindlich genug sein wird, um die Geburt von Galaxien direkt zu beobachten.
Das von Großbritannien angeführte Forschungsteam untersuchte sechs der derzeit am weitesten entfernten Galaxien, deren Licht den größten Teil der Lebenszeit des Universums gebraucht hat, um uns zu erreichen. Sie fanden heraus, dass die Entfernung dieser Galaxien von der Erde einer "Rückblick"-Zeit von vor mehr als 13 Milliarden Jahren entsprach, als das Universum erst 550 Millionen Jahre alt war.
Bei der Analyse von Bildern der Weltraumteleskope Hubble und Spitzer berechneten die Forscher das Alter dieser Galaxien auf 200 bis 300 Millionen Jahre, was eine Schätzung der ersten Entstehung ihrer Sterne ermöglichte.
Farbbild des Galaxienhaufens, mit dem eine der sechs Galaxien, MACS0416-JD, entdeckt wurde, das in einer Studie unter der Leitung von Forschern des University College London und der University of Cambridge untersucht wurde. Diese Galaxie hat ein geschätztes Alter von 351 Millionen Jahren, was bedeutet, dass diese Galaxie 178 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden ist. Die Sternmasse dieser Galaxie beträgt das eine Milliardefache der Masse der Sonne. Dieses Objekt ist derzeit die am weitesten entfernte Galaxie, die mit ALMA entdeckt wurde. Bildnachweis: ESA/Hubble, NASA, HST Frontier Fields
Der Hauptautor Dr. Nicolas Laporte (Universität Cambridge), der das Projekt während seiner Zeit am UCL begann, sagte: „Theoretiker spekulieren, dass das Universum in den ersten paar hundert Millionen Jahren ein dunkler Ort war, bevor sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten.
„Der Moment, in dem das Universum zum ersten Mal in Sternenlicht getaucht wurde, ist eine wichtige Aufgabe der Astronomie.
„Unsere Beobachtungen deuten darauf hin, dass die kosmische Morgendämmerung zwischen 250 und 350 Millionen Jahren nach dem Beginn des Universums auftrat und zum Zeitpunkt ihrer Entstehung Galaxien wie die von uns untersuchten ausreichend hell gewesen wären, um mit dem James Webb Space gesehen zu werden Teleskop."
Die Forscher analysierten das Sternenlicht der Galaxien, wie es von den Weltraumteleskopen Hubble und Spitzer aufgezeichnet wurde, und untersuchten einen Marker in ihrer Energieverteilung, der auf das Vorhandensein von atomarem Wasserstoff* in ihrer stellaren Atmosphäre hinweist. Dies liefert eine Schätzung des Alters der darin enthaltenen Sterne.
Das Video zeigt die Entstehung und Entwicklung der ersten Sterne und Galaxien in einem virtuellen Universum, das unserem ähnelt. Die Simulation beginnt kurz vor der kosmischen Morgendämmerung, wenn das Universum ohne Sternenlicht ist, und läuft bis in die Epoche 550 Millionen Jahre nach dem Urknall, wenn die sechs von Dr. Laporte und Kollegen analysierten Galaxien beobachtet werden. Oben links wird das Alter des Universums in Millionen Jahren angezeigt. Der Einschub konzentriert sich auf die Entwicklung einer Galaxie, die denen in der jüngsten Beobachtungsstudie ähnelt. Violette Regionen zeigen die fadenförmige Verteilung von Gas, das hauptsächlich aus Wasserstoff besteht. Weiße Regionen repräsentieren Sternenlicht und die gelben Regionen stellen energiereiche Strahlung von den massereichsten Sternen dar, die in der Lage ist, das umgebende Wasserstoffgas zu ionisieren. Da massereiche Sterne schnell das Ende ihrer Lebenszeit erreichen, brechen sie in heftigen Supernova-Explosionen aus, die das umgebende Gas ausstoßen, wodurch diese energiereiche Strahlung entweichen kann. Galaxien wie die gezeigte akkretieren kontinuierlich Material von nahegelegenen kleineren Systemen und fügen sich schnell zusammen, um die größeren Galaxien zu bilden, die später vom Hubble-Weltraumteleskop beobachtet werden. Quelle: Dr. Harley Katz, Beecroft Fellow, Department of Physics, University of Oxford
Diese Wasserstoffsignatur nimmt mit zunehmendem Alter der Sternpopulation an Stärke zu, nimmt jedoch ab, wenn die Galaxie älter als eine Milliarde Jahre ist. Die Altersabhängigkeit entsteht, weil die massereicheren Sterne, die zu diesem Signal beitragen, ihren Kernbrennstoff schneller verbrennen und daher zuerst sterben.
Co-Autor Dr. Romain Meyer (UCL Physics & Astronomy und Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, Deutschland) sagte: „Dieser Altersindikator wird verwendet, um Sterne in unserer eigenen Nachbarschaft in der Milchstraße zu datieren, kann aber auch sein verwendet, um extrem entfernte Galaxien zu datieren, die in einer sehr frühen Periode des Universums beobachtet wurden.
„Anhand dieses Indikators können wir schließen, dass unsere Galaxien selbst in diesen frühen Zeiten zwischen 200 und 300 Millionen Jahre alt sind.“
Bei der Analyse der Daten von Hubble und Spitzer mussten die Forscher die „Rotverschiebung“ jeder Galaxie schätzen, die ihre kosmologische Entfernung und damit die Rückblickzeit angibt, zu der sie beobachtet werden. Um dies zu erreichen, führten sie spektroskopische Messungen mit dem gesamten Arsenal leistungsstarker bodengestützter Teleskope durch – dem chilenischen Atacama Large Millimeter Array (ALMA), dem European Very Large Telescope, den Zwillings-Keck-Teleskopen auf Hawaii und dem Gemini-South-Teleskop.
Diese Messungen ermöglichten es dem Team zu bestätigen, dass die Betrachtung dieser Galaxien einem Rückblick auf eine Zeit entsprach, als das Universum 550 Millionen Jahre alt war.
Co-Autor Professor Richard Ellis (UCL Physics & Astronomy), der im Laufe seiner Karriere immer weiter entfernte Galaxien verfolgt hat, sagte: „In den letzten zehn Jahren haben Astronomen die Grenzen dessen, was wir beobachten können, auf eine Zeit verschoben, in der die Universum hatte nur 4% seines heutigen Alters. Aufgrund der begrenzten Transparenz der Erdatmosphäre und der Fähigkeiten der Weltraumteleskope Hubble und Spitzer sind wir jedoch an unsere Grenzen gestoßen.
„Wir warten jetzt gespannt auf den Start des James Webb-Weltraumteleskops, von dem wir glauben, dass es die kosmische Morgendämmerung direkt miterleben kann.
„Die Suche nach diesem wichtigen Moment in der Geschichte des Universums ist seit Jahrzehnten ein heiliger Gral in der Astronomie. Da wir aus Material bestehen, das in Sternen verarbeitet wird, ist dies gewissermaßen die Suche nach unserer eigenen Herkunft.“**
An der neuen Studie waren Astronomen der University of California-Santa Cruz, der University of California und der University of Texas beteiligt.
Unterstützung erhielten die Forscher von der Kavli Foundation, dem European Research Council, der National Aeronautics and Space Administration (NASA) und der National Science Foundation (NSF) in den USA.
Das NASA-geführte James Webb Space Telescope, der Nachfolger des Hubble-Observatoriums, soll im November ins All starten. Es wird im nächsten Jahrzehnt das führende Observatorium sein und Tausende von Astronomen weltweit bedienen. Es besteht aus einem Infrarot-Observatorium, einem riesigen Spiegel mit einer Breite von 6,5 Metern und einer rautenförmigen Sonnenblende. UCL-Wissenschaftler des Mullard Space Science Laboratory haben wichtige Hardwarekomponenten für den NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), eines der vier Instrumente des Teleskops, gebaut und getestet.
*atomarer Wasserstoff ist Wasserstoff, der nicht in Protonen und Elektronen gespalten wurde.
**Alle schwereren Elemente im Universum – alles außer Wasserstoff, Helium und Lithium – werden in Sternen synthetisiert und dann im ganzen Universum ausgesät, wenn die Sterne am Ende ihres Lebens explodieren. Dazu gehören die Elemente, aus denen der Mensch besteht – das Kalzium in unseren Knochen, das Eisen in unserem Blut.
Referenz: „Probing Cosmic Dawn: Ages and star formation histories of Candidate z = 9 galaxies“ von N Laporte, R. A. Meyer, R. S. Ellis, B. E. Robertson, J. Chisholm und G. W. Roberts-Borsani, 24. Juni 2021, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stab1239
ÜBER MOSFIRE
Der Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration (MOSFIRE) sammelt Tausende von Spektren von Objekten über eine Vielzahl von Entfernungen, Umgebungen und physikalischen Bedingungen. Was dieses große, vakuumkryogene Gerät einzigartig macht, ist seine Fähigkeit, bis zu 46 einzelne Objekte im Sichtfeld auszuwählen und dann das Infrarotspektrum aller 46 Objekte gleichzeitig aufzunehmen. Wenn ein neues Feld ausgewählt wird, rekonfiguriert ein Robotermechanismus in der Vakuumkammer die Verteilung winziger Schlitze in der Fokusebene in weniger als sechs Minuten. Acht Jahre in der Entwicklung von First Light im Jahr 2012 reichen die frühen Leistungsergebnisse von MOSFIRE von der Entdeckung ultrakühler, naher Objekte mit substellarer Masse bis hin zum Nachweis von Sauerstoff in jungen Galaxien nur zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall. MOSFIRE wurde durch die Finanzierung der National Science Foundation ermöglicht. Es ist derzeit das am meisten nachgefragte Instrument am Keck-Observatorium.
Hubble und Keck schließen sich zusammen, um die am weitesten bekannte Galaxie im Universum zu finden
Ein internationales Astronomenteam hat möglicherweise einen neuen Rekord bei der Entdeckung der am weitesten entfernten bekannten Galaxie im Universum aufgestellt. Das Objekt befindet sich schätzungsweise 13 Milliarden Lichtjahre entfernt und wird nur 750 Millionen Jahre nach dem Urknall beobachtet, als das Universum gerade einmal 5 Prozent seines heutigen Alters hatte.
Die urzeitliche Galaxie wurde durch die Kombination der Leistung des Hubble-Weltraumteleskops der NASA/ESA und des W. M. Keck-Teleskops von CARA auf dem Mauna Kea auf Hawaii identifiziert. Diese großartigen Observatorien erhielten einen Schub durch die zusätzliche Vergrößerung einer natürlichen "kosmischen Gravitationslinse" im Weltraum, die die Helligkeit des entfernten Objekts weiter verstärkt.
Die neu entdeckte Galaxie wird wahrscheinlich eine junge Galaxie sein, die am Ende des sogenannten "Dunklen Zeitalters" leuchtet - der Periode in der kosmischen Geschichte, die damit endete, dass die ersten Galaxien und Quasare undurchsichtigen, molekularen Wasserstoff in das transparente, ionisierte Universum umwandelten heute sehen.
Die neue Galaxie wurde in einer Langzeitbelichtung des nahegelegenen Galaxienhaufens Abell 2218 entdeckt, die mit der Advanced Camera for Surveys an Bord des Hubble-Weltraumteleskops aufgenommen wurde. Dieser Cluster ist so massiv, dass das Licht entfernter Objekte, das durch den Cluster hindurchtritt, tatsächlich gebeugt und verstärkt wird, ähnlich wie eine Lupe durch sie hindurch gesehene Objekte beugt und vergrößert. Solche natürlichen Gravitations-"Teleskope" ermöglichen es Astronomen, extrem weit entfernte und schwache Objekte zu sehen, die sonst nicht zu sehen wären. Die extrem schwache Galaxie ist so weit entfernt, dass ihr sichtbares Licht in infrarote Wellenlängen gestreckt wurde, was die Beobachtungen besonders schwierig macht.
"Als wir nach fernen Galaxien suchten, die mit Abell 2218 vergrößert wurden, entdeckten wir zwei auffallend ähnliche Bilder, deren Anordnung und Farbe ein sehr weit entferntes Objekt anzeigen." sagte der Astronom Jean-Paul Kneib (Observatoire Midi-Pyrénées und California Institute of Technology), der als Hauptautor über die Entdeckung in einem bevorstehenden Artikel im Astrophysical Journal berichtet.
Die Analyse einer Sequenz von Hubble-Bildern zeigt, dass das Objekt zwischen einer Rotverschiebung von 6,6 und 7,1 liegt, was es zur derzeit am weitesten entfernten Quelle macht. However, long exposures in the optical and infrared taken with spectrographs on the 10-meter Keck telescopes suggests that the object has a redshift towards the upper end of this range, around redshift 7.
Redshift is a measure of how much the wavelengths of light are shifted to longer wavelengths. The greater the shift in wavelength toward the redder regions of the spectrum, the more distant the object is.
"The galaxy we have discovered is extremely faint, and verifying its distance has been an extraordinarily challenging adventure," said Dr. Kneib. "Without the 25 x magnification afforded by the foreground cluster, this early object could simply not have been identified or studied in any detail at all with the present telescopes available. Even with aid of the cosmic lens, the discovery has only been possible by pushing our current observatories to the limits of their capabilities!"
Using the combination of the high resolution of Hubble and the large magnification of the cosmic lens, the astronomers estimate that this object, although very small - only 2,000 light-years across - is forming stars extremely actively. However, two intriguing properties of the new source are the apparent lack of the typically bright hydrogen emission line and its intense ultraviolet light which is much stronger than that seen in star-forming galaxies closer by.
"The properties of this distant source are very exciting because, if verified by further study, they could represent the hallmark of a truly young stellar system that ended the Dark Ages" added Dr. Richard Ellis, Steele Professor of Astronomy at Caltech, and a co-author in the article.
The team is encouraged by the success of their technique and plans to continue the search for more examples by looking through other cosmic lenses in the sky. Hubble's exceptional resolution makes it ideally suited for such searches.
"Estimating the abundance and characteristic properties of sources at early times is particularly important in understanding how the Universe reionized itself, thus ending the Dark Ages," said Mike Santos, a former Caltech graduate student, now a postdoctoral researcher at the Institute of Astronomy, Cambridge, UK. "The cosmic lens has given us a first glimpse into this important epoch. We are now eager to learn more by finding further examples, although it will no doubt be challenging."
"We are looking at the first evidence of our ancestors on the evolutionary tree of the entire Universe," said Dr. Frederic Chaffee, director of the W. M. Keck Observatory, home to the twin 10-meter Keck telescopes that confirmed the discovery. "Telescopes are virtual time machines, allowing our astronomers to look back to the early history of the cosmos, and these marvellous observations are of the earliest time yet."
Anmerkungen
The team reporting on the discovery consists of Drs. Jean-Paul Kneib (Observatoire Midi-Pyrénées, France/Caltech, USA), Richard S. Ellis (Caltech, USA), Michael R. Santos (Caltech/Institute of Astronomy, UK) and Johan Richard (Observatoire Midi-Pyrénées, France/Caltech, USA).
Animations of the discovery and general Hubble Space Telescope background footage are available from http://www.spacetelescope.org/videos/?search=heic0404
Image credit: European Space Agency, NASA, J.-P. Kneib (Observatoire Midi-Pyrénées) and R. Ellis (Caltech)
