JWST-Spektrometer verfeinert Rotverschiebungen entfernter Galaxien

Das NIRSpec-Instrument des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) hat gezeigt, dass eine weit entfernte Galaxie, von der zuvor angenommen wurde, dass sie eine rekordverdächtige Rotverschiebung von 16.4 aufweist, tatsächlich viel näher an der Erde liegt. Die Studie hat auch bestätigt, dass einige andere Objekte, die von JWST beobachtet wurden, zu den am weitesten entfernten Galaxien gehören, die jemals gesehen wurden.

Die kosmologische Rotverschiebung ist ein Maß dafür, wie stark das Licht einer Galaxie durch die Expansion des Universums zu längeren, röteren Wellenlängen gestreckt wurde. Je höher die Rotverschiebung, desto länger muss das Licht einer Galaxie damit verbracht haben, sich durch den expandierenden Kosmos zu bewegen. Das bedeutet, dass wir Objekte mit hoher Rotverschiebung so sehen, wie sie vor sehr langer Zeit erschienen sind – und dass die Objekte sehr weit entfernt sind.

Astronomen sind sehr daran interessiert, Galaxien mit hoher Rotverschiebung zu untersuchen, weil sie ein Fenster in das frühe Universum bieten. Jüngste Beobachtungen stützen in der Tat ein aufkommendes Bild, dass Galaxien im frühen Universum massereicher, weiter entwickelt und leuchtender waren als zuvor vorhergesagt.

Mehrere schwache Galaxien

Im Sommer 2022 ergaben die ersten tiefen Durchmusterungen des fernen Universums durch das JWST mehrere schwache Galaxien, die schätzungsweise die Galaxien mit der höchsten Rotverschiebung sind, die jemals gesehen wurden.

Ein Objekt wird aufgerufen Maisies Galaxie das in den JWST-Daten von einem Team unter der Leitung von entdeckt wurde Steve Finkelstein der University of Texas in Austin. Die Galaxie wurde ursprünglich bei einer Rotverschiebung von 14.3 angenommen, was sie nur 280 Millionen Jahre nach dem Urknall platziert hätte. Ein weiterer Kandidat, CEERS-93316, gefunden von einem Team unter der Leitung von Callum Donnan der University of Edinburgh, schien eine Rotverschiebung von 16.4 aufzuweisen, was nur 250 Millionen Jahre nach dem Urknall entspricht.

Zum Vergleich: Die am weitesten entfernte bestätigte Galaxie, die vor dem Start des JWST bekannt war, war Gn-z11, die eine Rotverschiebung von 11.6 aufweist.

Überarbeitete Rotverschiebungen

Diese frühen JWST-Messungen wurden mit einer photometrischen Technik durchgeführt, die die Gesamtrötung einer Galaxie misst. Während diese Technik auf schwache, entfernte Objekte angewendet werden kann, kann sie durch das Vorhandensein von Staub beeinträchtigt werden und ist nicht so genau wie die Messung der Verschiebungen einzelner Spektrallinien. Jetzt hat ein Team von Astronomen das Nahinfrarot-Spektrometer (NIRSpec) von JWST verwendet, um die Galaxien zu beobachten, und die Rotverschiebungsschätzungen verfeinert – mit gemischten Ergebnissen.

„Leider stellte sich heraus, dass der Rotverschiebungskandidat für 16.4 [CEERS-93316] eine niedrige Rotverschiebung hatte“, sagt Donnan, der Mitglied des Teams unter der Leitung von ist Pablo Arrabal Haro von NOIRLab in Arizona. Da die NIRSpec-Daten sofort veröffentlicht wurden, ohne dass die Wissenschaftler, die die Beobachtungen vorschlugen, Zeit dafür hatten, musste Haros Team ihre Arbeit in weniger als drei Tagen schreiben, um nicht unter Druck zu geraten.

CEERS-16.4 war keine 93316, sondern eine staubige Galaxie mit einer Rotverschiebung von 4.9, was bedeutet, dass wir sie so sehen, wie sie vor 12.5 Milliarden Jahren existierte. Donnans Team hatte zuvor geglaubt, sie hätten starke Argumente für eine rekordverdächtige Rotverschiebung, insbesondere da die Galaxie in ihrem Ruhesystem starke blaue und ultraviolette Emission zeigte (wie es ohne Rotverschiebung aussieht).

Die Kombination sehr starker Emissionslinien in Verbindung mit der Tatsache, dass sich eine dieser Linien der Wasserstoff-Alpha-Wellenlänge an einer Position befand, an der sich drei der NIRSpec-Filter überlappen, sodass die Emissionslinie zu allen drei beiträgt, erweckte fälschlicherweise den Eindruck dass CEERS-93316 eine intrinsisch leuchtende Galaxie mit einer viel höheren Rotverschiebung war.

Maisies Galaxie

Es gab bessere Nachrichten bei den Rotverschiebungseinsätzen für Maisies Galaxie, die eine Rotverschiebung von 11.4 aufwies. Dies ist immer noch eine sehr hohe Rotverschiebung und weist auf eine staubfreie Galaxie hin. Die Galaxie hat auch eine relativ hohe Sternentstehungsrate und eine Gesamtsternmasse von 250 Millionen Sonnenmassen. Diese Masse war über einen Zeitraum von 30 bis 120 Millionen Jahren gewachsen, bevor wir Maisies Galaxie sehen.

Jetzt hat NIRSpec auch weitere acht Galaxien mit Rotverschiebungen von mehr als 10 nachgewiesen. Der aktuelle Rekordhalter ist JADES-GS-z13-0, die eine spektroskopisch bestätigte Rotverschiebung von 13.2 aufweist und die wir so sehen, wie sie nur 350 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte.

Donnan hofft immer noch, dass JWST in der Lage sein wird, Galaxien mit spektroskopischen Rotverschiebungen von mehr als 14 zu entdecken. „Das ist möglich, besonders bei tieferer Bildgebung“, sagt er Physik-Welt.

Staubproduktion

Nicht, dass eine gut untersuchte Galaxie bei einer Rotverschiebung von 4.9 irgendetwas wäre, an dem man schnüffeln könnte. Die Untersuchung der Eigenschaften von Galaxien, die existierten, als das Universum etwas mehr als eine Milliarde Jahre alt war, ist entscheidend, um zu verstehen, wie sich Galaxien im Hinblick auf ihre Sternentstehung entwickelt haben. Dies lässt sich aus der Staubmenge ableiten, die aufeinanderfolgende Sternengenerationen produzieren – derselbe Staub, der CEERS-93316 röter erscheinen lässt.

„Wir müssen die Eigenschaften von CEERS-93316 genauer analysieren, aber es scheint staubig zu sein“, sagt Donnan. „Wir müssen uns mit seiner Sternentstehungsgeschichte befassen, wenn wir verstehen wollen, wie es dazu kam.“

Unterdessen sind laut Finkelstein, der auch an der NIRSpec-Studie beteiligt ist, weitere Beobachtungen für Galaxien mit sehr hoher Rotverschiebung wie Maisies Galaxie geplant.

Tiefere Spektroskopie

„Der nächste Schritt ist definitiv eine tiefere Spektroskopie, um genau zu untersuchen, was [Maisies Galaxie] dazu bringt, so blau zu sein“, sagt er und bezieht sich auf die Farbe des Ruhesystems. Die führende Theorie besagt, dass frühe Galaxien wie Maisies Galaxie im Vergleich zu heutigen Galaxien einen höheren Anteil an leuchtenden, blauen, massereichen Sternen hatten. Beobachtungen mit einem der 10-Meter-Teleskope von Keck auf Hawaii sind bereits im Gange, und Finkelstein hofft, in Zukunft mit JWST fortfahren zu können.

„Wir werden nach schwächeren Rest-UV-Emissionslinienmerkmalen suchen, die Diagnosen für Dinge wie das Vorhandensein sehr massereicher Sterne und auch dafür sind, wie intensiv das Sternenlicht von den Sternen ist, die wir sehen“, sagt Finkelstein.

Letztendlich erinnern die Ergebnisse an die Notwendigkeit der spektroskopischen Bestätigung von Galaxien-Rotverschiebungen und daran, dass wir, bis solche Messungen durchgeführt werden, vorsichtig mit Behauptungen über rekordverdächtige photometrische Rotverschiebungen umgehen sollten.

Die Forschung ist beschrieben in a Vordruck an arXiv.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/jwst-spectrometer-refines-redshifts-of-distant-galaxies/