Sobald Präsident Biden enthüllte das erste Bild vom James Webb Space Telescope (JWST) am 11. Juli Massimo Pascale und sein Team traten in Aktion.
Über Slack verteilten Pascale, eine Astrophysikerin an der University of California, Berkeley, und 14 Mitarbeiter die Aufgaben. Das Bild zeigte Tausende von Galaxien in einem nadelstichgroßen Bereich des Himmels, einige vergrößert, als ihr Licht sich um einen zentralen Galaxienhaufen bog. Das Team machte sich an die Arbeit, um das Bild zu untersuchen, in der Hoffnung, das allererste JWST-Wissenschaftspapier zu veröffentlichen. „Wir haben ununterbrochen gearbeitet“, sagte Pascale. „Es war wie ein Fluchtraum.“
Drei Tage später, nur wenige Minuten vor dem täglichen Abgabetermin auf arxiv.org, dem Server, auf dem Wissenschaftler frühe Versionen von Papieren hochladen können, das Team ihre Recherchen eingereicht. Sie verpassten den ersten Platz um 13 Sekunden, „was ziemlich lustig war“, sagte Pascale.
Das Sieger, Guillaume Mahler an der Durham University im Vereinigten Königreich und Kollegen analysierten dasselbe erste JWST-Bild. „Es war einfach ein reines Vergnügen, diese erstaunlichen Daten nehmen und veröffentlichen zu können“, sagte Mahler. „Wenn wir es schnell können, warum sollten wir warten?“
Der „gesunde Wettbewerb“, wie Mahler es nennt, unterstreicht das enorme Volumen an Wissenschaft, das bereits vom JWST kommt, Tage nachdem die Wissenschaftler begonnen haben, Daten von dem lang erwarteten Mega-Teleskop mit Infrarotsensor zu erhalten.
Der Anbruch der Zeit
Eine der viel gepriesenen Fähigkeiten von JWST ist die Fähigkeit, in die Zeit des frühen Universums zurückzublicken und einige der ersten Galaxien und Sterne zu sehen. Das Teleskop, das am Weihnachtstag 2021 gestartet wurde und sich jetzt 1.5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt befindet, hat bereits die am weitesten entfernte und früheste bekannte Galaxie entdeckt.
Zwei Teams fanden die Galaxie, als sie JWST-Beobachtungen für die GLASS-Durchmusterung, eine von mehr als 200, separat analysierten naturwissenschaftliche Programme geplant für das erste Jahr des Teleskops im Weltraum. Beide Teams, ein geführt by Rohan Naidu am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Massachusetts und die andere by Marco Castellano am Astronomischen Observatorium von Rom, identifizierten zwei besonders entfernte Galaxien in den Daten: eine so weit entfernt, dass JWST das Licht erkennt, das sie 400 Millionen Jahre nach dem Urknall aussendete (eine Verbindung mit der ältesten Galaxie, die jemals vom Hubble-Weltraumteleskop gesehen wurde), und das andere, genannt GLASS-z13, gesehen, wie es 300 Millionen Jahre nach dem Urknall erschien. „Es wäre die am weitesten entfernte Galaxie, die jemals gefunden wurde“, sagte Castellano.
Beide Galaxien sehen extrem klein aus, vielleicht 100-mal kleiner als die Milchstraße, aber sie zeigen überraschende Sternentstehungsraten und enthalten bereits die 1-Milliarde-fache Masse unserer Sonne – mehr als für so junge Galaxien erwartet. Eine der jungen Galaxien zeigt sogar Hinweise auf eine scheibenartige Struktur. Weitere Studien werden durchgeführt, um ihr Licht zu zerlegen, um ihre Eigenschaften zu ermitteln.
Ein weiteres Programm aus dem frühen Universum hat ebenfalls „unglaublich weit entfernte Galaxien“ aufgetaucht, heißt es Rebekka Larson, Astronom an der University of Texas, Austin, und Mitglied der Umfrage Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS). Nur wenige Wochen nach Beginn der Untersuchung hat das Team eine Handvoll Galaxien aus den ersten 500 Millionen Jahren des Universums eingesammelt, obwohl Larson und ihre Kollegen ihre genauen Ergebnisse noch nicht veröffentlicht haben. „Es ist besser, als ich es mir vorgestellt hatte, und es ist erst der Anfang“, sagte sie.
Weitere frühe Galaxien verstecken sich in dem Bild des Galaxienhaufens, das von Präsident Biden präsentiert und von Pascale und Mahler untersucht wurde. Genannt SMACS 0723, ist der Haufen so schwer, dass er das Licht weiter entfernter Objekte beugt und sie sichtbar macht. Pascale und Mahler fanden bis zu 16 entfernte Galaxien, die im Bild vergrößert wurden; ihr genaues Alter ist noch nicht bekannt.
Das Teleskop betrachtete eine ferne Galaxie auf dem Bild genauer, einen Lichtfleck, der 700 Millionen Jahre nach dem Urknall datiert. Mit seinem Spektrographen entdeckte JWST schwere Elemente, insbesondere Sauerstoff, in der Galaxie. Jetzt hoffen Wissenschaftler, dass das Teleskop in noch früheren Galaxien das Fehlen schwerer Elemente findet – ein Beweis dafür, dass diese Galaxien nur solche enthalten Sterne der Population III, die hypothetischen ersten Sterne im Universum, von denen angenommen wurde, dass sie ungeheuer riesig waren und vollständig aus Wasserstoff und Helium bestanden. (Erst als diese Sterne explodierten, formten sie schwerere Elemente wie Sauerstoff und schleuderten sie in den Kosmos.)
„Wir suchen nach Galaxien, in denen wir keine schweren Elemente sehen“, sagte Andy Bunker, ein Astrophysiker an der Universität Oxford. „Das könnte ein schlagender Beweis für die erste Generation von Sternen sein, die aus ursprünglichem Wasserstoff und Helium gebildet wurden. Theoretisch sollten sie existieren. Es kommt darauf an, ob sie hell genug sind.“
Galaktische Struktur
Für Wissenschaftler, die die Struktur von Galaxien und die Entstehung von Sternen in ihnen verstehen wollen, hat JWST bereits aussagekräftige Daten geliefert.
Ein Beobachtungsprogramm, geleitet von Janice Lee am NOIRLab der National Science Foundation in Arizona, sucht nach jungen Orten der Sternentstehung in Galaxien. Im Auftrag von Lees Team beobachtete JWST eine 24 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie namens NGC 7496, deren junge Sternentstehungsregionen bisher in Dunkelheit gehüllt waren; Hubbles Instrumente konnten den dicken Staub und das Gas, das diese Regionen umgibt, nicht durchdringen. JWST kann jedoch Infrarotlicht sehen, das vom Staub abprallt, was es dem Teleskop ermöglicht, nahe an den Momenten zu suchen, in denen die Sterne eingeschaltet wurden und die Kernfusion in ihren Kernen gezündet wurde. „Der Staub leuchtet tatsächlich auf“, sagte Lee.
Am bemerkenswertesten sei, sagte sie, dass NGC 7496 eine normale Galaxie sei, „keine Aushängeschild-Galaxie“. Doch unter dem wachsamen Auge von JWST erwacht es plötzlich zum Leben und enthüllt Kanäle, in denen sich Sterne bilden. „Es ist einfach phänomenal“, sagte sie.
John Barentine, ein Astronom der Firma Dark Sky Consulting in Arizona, machte unterdessen in einem der ersten Bilder von JWST eine zufälligere Entdeckung. Das Teleskopbild des Südlichen Ringnebels, 2,500 Lichtjahre von der Erde entfernt, zeigte eine bemerkenswerte Klarheit. An der Seite wurde eine faszinierende Galaxie von der Seite betrachtet (ein einzigartiger Aussichtspunkt für die Untersuchung der zentralen Ausbuchtung der Galaxie), die zuvor fälschlicherweise als Teil des Nebels selbst identifiziert wurde, ins Blickfeld gerückt.
„Wir haben diese äußerst empfindliche Maschine, die zufällig Dinge enthüllt, von denen wir nicht einmal wussten, dass wir sie suchen“, sagte Barentine. „Bei fast jedem Bild, das Webb aufnimmt, lohnt es sich, im Hintergrund herumzustöbern.“
Ein Auge auf Sterne und Planeten
Auch kleinere Ziele befinden sich im Fadenkreuz des JWST, einschließlich der Planeten unseres eigenen Sonnensystems. Jupiter erschien auf großartige Weise als Teil der ersten Bilderserie, aufgenommen in einer Belichtungszeit von nur 75 Sekunden.
Astronomen wissen, dass die obere Atmosphäre des Jupiter Hunderte von Grad heißer ist als die untere Atmosphäre, aber sie sind sich nicht sicher, warum. Durch die Erkennung von Infrarotlicht konnte JWST die aufgeheizte obere Atmosphäre leuchten sehen; es erscheint als roter Ring um den Planeten. „Wir haben diese Schicht ein paar hundert Kilometer über den Wolkendecken, und sie leuchtet, weil sie heiß ist“, sagte Henrik Melin, ein Planetenwissenschaftler an der Universität von Leicester. „Wir haben das weltweit noch nie so gesehen. Das ist etwas Außergewöhnliches zu sehen.“
Melins Programm plant, JWST in den kommenden Wochen zu verwenden, um die treibende Kraft hinter dieser atmosphärischen Erwärmung zu untersuchen.
In JWSTs Bild von Jupiter versteckt sich der vulkanische Mond Io, der mit Jupiters Polarlicht interagiert – und eine kleine Beule in der Aurora tief am Himmel des Planeten erzeugt. Das Bild zeigt „Material, das von Io kommt und die Magnetfeldlinien herunterströmt“, sagte Melin. Der Effekt wurde schon einmal gesehen, aber es wurde von JWST mit kaum einem Blick auf den Planeten leicht ausgemacht.
JWST untersucht auch Planeten in anderen Sternensystemen. Das Teleskop hat bereits einen Blick auf das berühmte TRAPPIST-1-System geworfen, einen roten Zwergstern mit sieben erdgroßen Welten (einige potenziell bewohnbar), obwohl die Daten noch analysiert werden. Es wurden frühe Beobachtungen eines weniger gastfreundlichen Planeten, eines „heißen Jupiters“ namens WASP-96 b, in einer engen 3.4-Tage-Umlaufbahn um seinen Stern veröffentlicht.
JWST fand Wasserdampf in der Atmosphäre des Planeten, was Beweise für Wasser bestätigt Tage zuvor gemeldet by Chima McGruder vom Harvard-Smithsonian Center und Kollegen, die ein bodengestütztes Teleskop benutzten. Aber JWST kann noch weiter gehen; Durch die Beobachtung des Verhältnisses von Kohlenstoff zu Sauerstoff von WASP-96 b kann es möglicherweise ein verwirrendes Rätsel über heiße Jupiter lösen: wie sie so enge Umlaufbahnen um ihre Sterne erreichen. Mehr Sauerstoff würde darauf hindeuten, dass sich der Gasriese ursprünglich weit entfernt vom Stern gebildet hat, wo Wasser kondensieren könnte, während ein höheres Kohlenstoffverhältnis darauf hindeuten würde, dass er schon immer in der Nähe war.
In der Zwischenzeit hat JWST möglicherweise ein vorübergehendes Licht am Himmel entdeckt – ein kurzlebiges Ereignis, das als Transient bezeichnet wird – wofür es ursprünglich nicht konzipiert war. Der Astronom Mike Engesser und Kollegen am Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland (dem Operationszentrum für JWST), bemerkten ein helles Objekt, das auf Hubble-Bildern derselben Region nicht zu sehen war. Sie glauben, dass es sich um eine Supernova oder einen explodierenden Stern handelt, der etwa 3 Milliarden Lichtjahre entfernt ist – ein Beweis dafür, dass das Teleskop diese Ereignisse finden kann.
JWST sollte in der Lage sein, auch weit entferntere Supernovae zu finden, was ihm eine weitere Möglichkeit bietet, als Sonde des frühen Universums zu dienen. Es könnte auch Sterne finden, die von den supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren der Galaxien zerrissen werden, etwas, was kein früheres Teleskop gesehen hat. „Zum ersten Mal werden wir in der Lage sein, in diese sehr tiefen, dunklen Regionen zu blicken“, sagte er Ori Fuchs, ein Astronom am Space Telescope Science Institute, der das Team leitet, das Transienten untersucht.
Transienten werden wie andere astronomische Phänomene neu definiert. Nach jahrzehntelanger Planung und Konstruktion ist JWST in den Himmel geschossen. Das Problem besteht jetzt darin, mit dem ständigen Sperrfeuer der Wissenschaft Schritt zu halten, das von einer Maschine kommt, die so komplex und doch fehlerfrei ist, dass sie sich fast dem Glauben widersetzt, dass sie von menschlichen Gehirnen gebaut wurde. "Es funktioniert, und es ist verrückt", sagte Larson.
