Es war ein aktiver Abschlusstag bei der Erste wissenschaftliche Ergebnisse von JWST Konferenz am Space Telescope Science Institute in Baltimore, USA, wo sich die Diskussion einigen unglaublichen Beobachtungen von Quasaren über Rotverschiebung 6 zuwandte, die zeigten, wie sie vor mehr als 12.7 Milliarden Jahren existierten.
Als kompakte Kerne von Galaxien mit extrem aktiven supermassiven Schwarzen Löchern wissen wir, dass Quasare um ein Vielfaches heller leuchten können als ihre Wirtsgalaxie. In seiner Präsentation Johannes Silbermann von der University of Tokyo beschrieben, wie Daten von den JWST's CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) Die Umfrage verfolgt ein Dutzend Quasare mit hoher Rotverschiebung, die ursprünglich von der identifiziert wurden Subaru-Teleskop auf Mauna Kea.
Während der gesamten Konferenz haben Astronomen gescherzt, dass eine hohe Rotverschiebung nicht mehr das bedeutet, was sie früher bedeutete. Bevor JWST auf den Markt kam, bedeutete eine hohe Rotverschiebung für das Hubble-Weltraumteleskop die Auflösung der Wirtsgalaxien von Quasaren auf etwa Rotverschiebung 2 oder etwa 10 Milliarden Jahre in der Vergangenheit. Jetzt löst JWST die Strukturen von Wirtsgalaxien um Quasare bei Rotverschiebung 6 (vor fast 12.7 Milliarden Jahren) auf.
Zwischen den Rotverschiebungen 2 und 6 ist im Universum viel passiert, und Astronomen sind gespannt, ob das Verhältnis der Masse eines supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie zur Masse seiner Wirtsgalaxie (oder genauer gesagt zur Sternmasse von Bulge der Galaxie) hält immer noch bei den höchsten Rotverschiebungen. Die Antwort wird uns etwas über die Bedingungen erzählen, unter denen supermassereiche Schwarze Löcher und Galaxien entstanden sind, und wie sie sich gegenseitig beim Wachstum beeinflusst haben.
Das Massenverhältnis zwischen einem supermassiven Schwarzen Loch und der Ausbuchtung einer Galaxie um es herum beträgt 1:200, wobei dieser Wert vermutlich mit der Rückkopplung des Schwarzen Lochs in Form von Strahlungsausbrüchen zusammenhängt, die beim Ansammeln von Materie ausgestoßen werden. Die Beziehung wurde erstmals in den 1990er Jahren durch Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop quantifiziert, wobei Silverman sie als „fundamental“ bezeichnete.
Es stellt sich heraus, dass Galaxien mit hoher Rotverschiebung tatsächlich auch an dieser Beziehung festhalten. Silverman sagte, dass Astronomen Rotverschiebung 6 anvisiert haben, weil Simulationen von Galaxien bei dieser Rotverschiebung tendenziell am meisten voneinander abweichen. Was Astronomen wirklich brauchen, sind einige harte und schnelle Daten, die sie in die Simulationen eingeben können, und JWST ist ihnen gerne nachgekommen.
Die typische Galaxie, die einen Quasar bei dieser Rotverschiebung beherbergt, ist nur 8 % so hell wie der Quasar. Es ist jedoch tatsächlich möglich, die Blendung eines Quasars aus dem Bild zu entfernen – da der Quasar selbst punktförmig erscheint, manifestiert er sich als Beugungsspitzen, die durch eine Punktstreufunktion entfernt werden können.
JWST stellt fest, dass die Galaxien nur eine Milliarde Jahre nach dem Urknall ziemlich kompakt und scheibenförmig sind, mit überraschend gut definierten Spiralarmen und zentralen Balken. In ihrem Vortrag Madeleine Marshall, vom NRC Herzberg in Victoria, Kanada, diskutierten die ersten hochrotverschobenen Quasarergebnisse von JWSTs Nahinfrarot-Spektrometer (NIRSpec), wobei festgestellt wurde, dass ihre Schwarzen Löcher Milliarden von Sonnenmassen wiegen und die Masse ihrer Wirtsgalaxien im Bereich von Hunderten von Milliarden liegt und daher das bei niedrigerer Rotverschiebung beobachtete Massenverhältnis beizubehalten scheint.
Wie genau Schwarze Löcher so früh im Universum so massiv wurden, wird noch diskutiert, aber hoffentlich wird JWST beginnen, einige Antworten zu geben. Um nur einen Hinweis auf die Leistung des Teleskops zu geben: Die Auflösung des JWST ist so fein, dass einige der Quasarbilder Begleitgalaxien zeigen, die mit der Hauptgalaxie verschmelzen oder mit ihr interagieren, Gezeitenschweife und Ausbrüche von Sternentstehung mit einer Rate von 30–50 Sonnenmassen aufweisen pro Jahr.
Exoplaneten und protoplanetare Scheiben
Früher am Tag kamen Exoplaneten und protoplanetare Scheiben ins Rampenlicht. Olivier Berne vom Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie in Toulouse enthüllten eine Lösung dafür, wie sich Planeten in der ultraviolettstrahlungsreichen Umgebung großer Sternhaufen bilden können.
Diese Sternhaufen produzieren ihren gerechten Anteil an heißen, jungen, massereichen Sternen, die viel ultraviolette Strahlung aussenden, die im Prinzip protoplanetare Scheiben um benachbarte Sterne mit geringerer Masse erodieren sollte. Berné berichtet, wie JWST-Astronomen in Zusammenarbeit mit Kollegen aus das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, haben die Chemie dieser anfälligen Scheiben beobachtet und eine warme Hülle aus molekularem Gas entdeckt, die sie umgibt.
Die Hüllen sind reich an polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, die eine starke Infrarot-Spektralsignatur haben, die JWST auffällt. Sie haben auch eine hohe UV-Opazität, sodass sie einen Großteil des schädlichen UV-Lichts von außerhalb einer Scheibe blockieren und so die frühen Stadien der Planetenbildung schützen können.
Im Inneren einer planetenbildenden Scheibe
Eine protoplanetare Scheibe, auf der die Planetenbildung ziemlich weit fortgeschritten ist, ist PDS 70. Sie kam 2018 und 2021 in die Nachrichten, als Astronomen mit ALMA Ringe in der Scheibe von PDS 70 abbilden konnten, die anscheinend von zwei jungen Planeten herausgearbeitet wurden.
Julia Perotti vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg enthüllte, wie JWST nun die Chemie im inneren Bereich der protoplanetaren Scheibe von PDS 70 messen kann. Es scheint mit kleinen Staubkörnern angereichert zu sein, die thermisch verarbeitet wurden, möglicherweise durch Ausbrüche des jungen Sterns. Die innere Scheibe ist währenddessen verzogen, möglicherweise durch den Einfluss eines anderen, unsichtbaren Planeten. Chemisch wurden auch Wasser und Sauerstoff in der Scheibe nachgewiesen. PDS 70 ist weiterhin unser am besten untersuchtes Beispiel für Planeten, die sich innerhalb einer Scheibe aus Gas und Staub bilden.
WASP-Atmosphären
Unterdessen Kevin Stevenson vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory informierten Delegierte über JWSTs Beobachtungen der Atmosphären älterer Exoplaneten. Zuerst erzählte er von den Beobachtungen des Weltraumteleskops WASP-39b – einem „heißen Jupiter“ in 700 Lichtjahren Entfernung.
Diese Beobachtungen wurden gemacht, als WASP-39b seinen Stern durchquerte, wobei ein Teil des Lichts des Sterns von Atomen und Molekülen in der Atmosphäre des Planeten absorbiert wurde, als es hindurchging. Mit dieser „Transmissionsspektroskopie“ wies JWST Kohlenmonoxid, Kalium, Natrium und Wasser in der Atmosphäre von WASP-39b sowie Schwefeldioxid nach, das ein Produkt der Photochemie ist.
Es ist das erste Mal, dass photochemische Prozesse, bei denen die Strahlung des Sterns Moleküle verändert, auf einem Exoplaneten nachgewiesen wurden. Das Fehlen einer starken Methanlinie bei 3.3 Mikron ist auch ein Beweis dafür, dass die Photochemie Methan in andere molekulare Spezies umwandelt.
Stevenson fuhr dann mit einer Vorschau auf die Ergebnisse eines anderen heißen Jupiter fort – des Planeten WASP-43b, der 284 Lichtjahre entfernt liegt. Als der Vorgänger von JWST, das Spitzer-Weltraumteleskop, WASP-43b beobachtete, konnte es keine Wärmestrahlung von der Nachtseite des Planeten feststellen, was bedeutet, dass es außerhalb der Grenzen von Spitzer kalt sein muss, um es zu erkennen.
Stevenson enthüllte, dass JWST diese schwache thermische Emission jetzt entdeckt hatte, und – obwohl er keine Details nennen konnte – beschrieb er, wie diese Messung und Messung der Temperatur der Nachtseite es Wissenschaftlern ermöglichen würde, die Eigenschaften der durch die Gezeiten eingeschlossenen Atmosphäre des Planeten.
Verlockender TRAPPIST-1
Wir haben auch neue Erkenntnisse aus dem Planetensystem TRAPPIST-1 gehört, das aus sieben Planeten besteht, die einen 40 Lichtjahre entfernten roten Zwergstern umkreisen. Björn Benneke von der Universität Montreal enthüllte, dass JWST eine Aufklärung der Atmosphären einiger der Welten von TRAPPIST-1 durchgeführt hatte.
Während er noch nichts darüber sagen konnte, was JWST sicher in ihrer Atmosphäre entdeckt hatte, enthüllte er, dass der siebte Planet, TRAPPIST-1g, wahrscheinlich keine dichte, wasserstoffreiche Atmosphäre hat. Dies würde scheinbar ausschließen, dass es sich um einen sog 'hyceische' Welt, bestehend aus einem Ozean, der durch eine dicke Wasserstoffschicht warm gehalten wird. Da sich Planet 'g' am äußersten Rand der bewohnbaren Zone von TRAPPIST-1 befindet, könnte dies bedeuten, dass TRAPPIST-1g ohne eine dicke isolierende Atmosphäre zu kalt sein könnte, um für das Leben, wie wir es kennen, bewohnbar zu sein.
Die dreitägige Konferenz war eine aufregende Vorschau darauf, wie JWST beginnt, die astronomische Forschung zu verändern und es uns ermöglicht, Dinge zu entdecken, die den Astronomen bisher völlig entzogen waren. Manchmal waren die Konferenzpräsentationen frustrierend oberflächlich – viele sagten, dass sie nächstes Jahr mehr zu sagen hätten, besonders auf der 241. Sitzung der American Astronomical Society (AAS) vom 8. bis 12. Januar in Seattle.
Wir müssen jedoch bedenken, dass JWST erst seit knapp sechs Monaten Daten sammelt. Angesichts der Komplexität sowohl des Teleskops als auch der Informationen, die es sammelt, achten Astronomen darauf, mit ihren Ergebnissen sorgfältig umzugehen. Wenn die vorläufigen Ergebnisse dieser ersten JWST-Wissenschaftskonferenz ein Hinweis darauf sind, dann könnten die nächsten Jahre einige der aufregendsten Zeiten für Astrophysiker, Kosmologen und Planetenwissenschaftler werden.
Die Post Quasare, Exoplaneten und die Atmosphären ferner Welten: mehr zu den ersten Ergebnissen des JWST erschien zuerst auf Physik-Welt.
