Astronomen nutzen das Webb-Teleskop, um die frühesten Stränge des kosmischen Netzes zu identifizieren

Astronomen der University of Arizona haben mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops ein 3 Millionen Lichtjahre langes galaktisches Filament aus dem frühen Universum identifiziert. Die Studie untersuchte außerdem acht Quasare und ihren Einfluss auf die Sternentstehung und lieferte Einblicke in den Aufbau und das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher. (Konzept des kosmischen Webkünstlers.)

Eine Reihe aufgereihter Galaxien im frühen Universum enthüllt Hinweise – und Fragen – über die grundlegende Architektur des Universums.

Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA hat ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Astronomen der University of Arizona eine fadenförmige Anordnung von zehn Galaxien entdeckt, die nur 830 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte.

Wie Perlen auf einer unsichtbaren Schnur aufgereiht, sind die 3 MillionenLichtjahrDie -lange Struktur wird von einem leuchtenden Quasar verankert – einer Galaxie mit einem aktiven, supermassereichen Schwarzen Loch in ihrem Kern. Das Team geht davon aus, dass sich das Filament schließlich zu einem massiven Galaxienhaufen entwickeln wird, ähnlich dem bekannten Coma-Haufen im „nahen“ Universum. Die Ergebnisse werden in zwei Artikeln veröffentlicht Der Astrophysikalische Tagebuchbriefe.

„Dies ist eine der frühesten Filamentstrukturen, die Menschen jemals im Zusammenhang mit einem fernen Quasar gefunden haben“, sagte Feige Wang, Assistenzprofessorin am UArizona Steward Observatory und Hauptautorin der ersten Veröffentlichung. Wang fügte hinzu, dass es das erste Mal sei, dass eine Struktur dieser Art zu einem so frühen Zeitpunkt im Universum und in 3D-Details beobachtet wurde.

Dieses tiefe Galaxienfeld von Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera) zeigt eine Anordnung von zehn entfernten Galaxien, die durch acht weiße Kreise in einer diagonalen, fadenförmigen Linie markiert sind. (Zwei der Kreise enthalten mehr als eine Galaxie.) Dieses 3 Millionen Lichtjahre lange Filament wird von einem sehr weit entfernten und leuchtenden Quasar verankert – einer Galaxie mit einem aktiven, supermassiven Schwarzen Loch in seinem Kern. Der Quasar mit der Bezeichnung J0305-3150 erscheint in der Mitte des Clusters aus drei Kreisen auf der rechten Seite des Bildes. Seine Helligkeit übertrifft die seiner Muttergalaxie. Die 10 markierten Galaxien existierten nur 830 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das Team geht davon aus, dass sich das Filament schließlich zu einem massiven Galaxienhaufen entwickeln wird. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Feige Wang (University of Arizona), Bildverarbeitung: Joseph DePasquale (STScI)

Galaxien sind nicht zufällig über das Universum verstreut. Sie versammeln sich nicht nur zu Büscheln und Klumpen, sondern bilden riesige, miteinander verbundene fadenförmige Strukturen, die durch riesige, kahle Hohlräume dazwischen getrennt sind. Dieses „kosmische Netz“ war zunächst dünn und wurde mit der Zeit deutlicher, als die Schwerkraft die Materie zusammenzog.

Eingebettet in riesige „Ozeane“ aus dunkler Materie entstehen Galaxien dort, wo sich dunkle und reguläre Materie in lokalisierten Flecken ansammelt, die dichter als ihre Umgebung sind. Ähnlich wie die Wellenkämme im Ozean bewegen sich Galaxien auf kontinuierlichen Strängen dunkler Materie, die als Filamente bekannt sind, erklärte Xiaohui Fan, Regents‘ Professor für Astronomie an der Steward University und Mitautor beider Veröffentlichungen. Das neu entdeckte Filament markiert das erste Mal, dass eine solche Struktur zu einem Zeitpunkt beobachtet wurde, als der Kosmos gerade einmal 6 % seines heutigen Alters hatte.

„Ich war überrascht, wie lang und schmal dieses Filament ist“, sagte Fan. „Ich hatte erwartet, etwas zu finden, aber eine so lange, ausgesprochen dünne Struktur hatte ich nicht erwartet.“

Diese Entdeckung wurde im Rahmen der gemacht STREBEN Projekt, eine große internationale Zusammenarbeit unter der Leitung von Forschern aus UArizona, mit Wang als Hauptforscher. Das Hauptziel von ASPIRE – was für „A SPectrscopic Survey of Biased Halos In the Reionization Era“ steht – ist die Untersuchung der kosmischen Umgebung der frühesten Schwarzen Löcher. Das Programm wird 25 Quasare beobachten, die innerhalb der ersten Milliarde Jahre danach existierten Urknalleine Zeit, die als Epoche der Reionisierung bekannt ist.

(Klicken Sie auf das Bild, um die vollständige Infografik anzuzeigen.) Vor mehr als 13 Milliarden Jahren, während der Ära der Reionisierung, war das Universum ein ganz anderer Ort. Das Gas zwischen den Galaxien war für energiereiches Licht weitgehend undurchsichtig, was die Beobachtung junger Galaxien erschwerte. Was ermöglichte es dem Universum, vollständig ionisiert oder transparent zu werden, was schließlich zu den „klaren“ Bedingungen führte, die heute in weiten Teilen des Universums beobachtet werden? Das James-Webb-Weltraumteleskop wird tief in den Weltraum blicken, um mehr Informationen über Objekte zu sammeln, die während der Ära der Reionisierung existierten, um uns zu helfen, diesen großen Übergang in der Geschichte des Universums zu verstehen. Bildnachweis: NASA, ESA und J. Kang (STScI)

„Die letzten zwei Jahrzehnte der kosmologischen Forschung haben uns ein fundiertes Verständnis darüber vermittelt, wie sich das kosmische Netz bildet und entwickelt“, sagte Teammitglied Joseph Hennawi von der University of California in Santa Barbara. „ASPIRE zielt darauf ab, zu verstehen, wie wir die Entstehung der frühesten massiven Schwarzen Löcher in unsere aktuelle Geschichte der kosmischen Strukturbildung einbetten können.“

Winde der Veränderung

Ein weiterer Teil der Studie untersucht die Eigenschaften von acht Quasaren im jungen Universum. Das Team bestätigte, dass ihre zentralen Schwarzen Löcher, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall existierten, eine Masse von 600 Millionen bis 2 Milliarden Sonnenmassen haben. Astronomen suchen weiterhin nach Beweisen, um zu erklären, wie diese Schwarzen Löcher so schnell so groß werden konnten.

Um diese supermassiven Schwarzen Löcher in so kurzer Zeit zu bilden, müssten zwei Kriterien erfüllt sein, sagte Wang.

„Zuerst müssen Sie beginnen, aus einem riesigen ‚Samen‘ zu wachsen. schwarzes Loch,” er erklärte. „Zweitens, selbst wenn dieser Samen mit einem Massenäquivalent von tausend Sonnen beginnt, muss er in relativ kurzer Zeit eine Million Mal mehr Materie mit der maximal möglichen Geschwindigkeit ansammeln, weil unsere Beobachtungen ihn zu einem Zeitpunkt entdeckten, als er noch sehr jung war.“

Quasare – hier in einer künstlerischen Illustration dargestellt – gehören zu den hellsten Objekten im Universum. Die Energie, die das supermassive Schwarze Loch des Quasars freisetzt, wenn es Masse aus seiner Umgebung verschlingt, wird allgemein als Hauptursache für die Begrenzung des Wachstums massereicher Galaxien angesehen. Bildnachweis: STScI

„Diese beispiellosen Beobachtungen liefern wichtige Hinweise darauf, wie Schwarze Löcher zusammengesetzt sind. „Wir haben herausgefunden, dass sich diese Schwarzen Löcher in massereichen jungen Galaxien befinden, die das Treibstoffreservoir für ihr Wachstum darstellen“, sagte Jinyi Yang, Assistenzprofessorin für Forschung an der Steward University, die bei ASPIRE die Erforschung von Schwarzen Löchern leitet und Erstautorin ist der zweiten Veröffentlichung.

Der James Webb-Weltraumteleskop lieferte auch den bisher besten Beweis dafür, wie frühe supermassereiche Schwarze Löcher möglicherweise die Sternentstehung in ihren Galaxien regulieren. Während supermassive Schwarze Löcher Materie ansammeln, können sie auch enorme Materialausflüsse bewirken. Diese „Winde“ können sich im galaktischen Maßstab weit über das Schwarze Loch selbst hinaus erstrecken und einen erheblichen Einfluss auf die Sternentstehung haben. Sterne entstehen, wenn Gas und Staub zu immer dichteren Wolken kollabieren. Dazu muss das Gas sehr kalt sein. Starke Winde von Schwarzen Löchern, die große Energiemengen aussenden, können diesen Prozess zerstören und dadurch die Sternentstehung in der Muttergalaxie unterdrücken, erklärte Yang.

„Solche Winde wurden im nahen Universum beobachtet, aber so früh im Universum, in der Epoche der Reionisierung, wurden sie noch nie direkt beobachtet“, sagte Yang. „Das Ausmaß des Windes hängt mit der Struktur des Quasars zusammen. In den Webb-Beobachtungen sehen wir, dass sich solche Winde über eine ganze Galaxie ausbreiten und deren Entwicklung beeinflussen.“

Weitere Informationen zu dieser Forschung finden Sie unter „Das Webb-Teleskop der NASA beleuchtet die frühesten Stränge des kosmischen Netzes“.

Verweise:

„A SPectrscopic Survey of Biased Halos in the Reionization Era (ASPIRE): JWST Reveals a Filamentary Structure around az = 6.61 Quasar“ von Feige Wang, Jinyi Yang, Joseph F. Hennawi, Xiaohui Fan, Fengwu Sun, Jaclyn B. Champagne, Tiago Costa, Melanie Habouzit, Ryan Endsley, Zihao Li, Xiaojing Lin, Romain A. Meyer, Jan–Torge Schindler, Yunjing Wu, Eduardo Bañados, Aaron J. Barth, Aklant K. Bhowmick, Rebekka Bieri, Laura Blecha, Sarah Bosman, Zheng Cai, Luis Colina, Thomas Connor, Frederick B. Davies, Roberto Decarli, Gisella De Rosa, Alyssa B. Drake, Eiichi Egami, Anna-Christina Eilers, Analis E. Evans, Emanuele Paolo Farina, Zoltan Haiman, Linhua Jiang, Xiangyu Jin , Hyunsung D. Jun, Koki Kakiichi, Yana Khusanova, Girish Kulkarni, Mingyu Li, Weizhe Liu, Federica Loiacono, Alessandro Lupi, Chiara Mazzucchelli, Masafusa Onoue, Maria A. Pudoka, Sofía Rojas-Ruiz, Yue Shen, Michael A. Strauss , Wei Leong Tee, Benny Trakhtenbrot, Maxime Trebitsch, Bram Venemans, Marta Volonteri, Fabian Walter, Zhang-Liang Xie, Minghao Yue, Haowen Zhang, Huanian Zhang und Siwei Zou, 29. Juni 2023, Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.
DOI: 10.3847/2041-8213/acccd6f

„A SPectrscopic Survey of Biased Halos in the Reionization Era (ASPIRE): A First Look at the Rest-frame Optical Spectra of z > 6.5 Quasars Using JWST“ von Jinyi Yang, Feige Wang, Xiaohui Fan, Joseph F. Hennawi, Aaron J. Barth, Eduardo Bañados, Fengwu Sun, Weizhe Liu, Zheng Cai, Linhua Jiang, Zihao Li, Masafusa Onoue, Jan-Torge Schindler, Yue Shen, Yunjing Wu, Aklant K. Bhowmick, Rebekka Bieri, Laura Blecha, Sarah Bosman, Jaclyn B. Champagne, Luis Colina, Thomas Connor, Tiago Costa, Frederick B. Davies, Roberto Decarli, Gisella De Rosa, Alyssa B. Drake, Eiichi Egami, Anna-Christina Eilers, Analis E. Evans, Emanuele Paolo Farina, Melanie Habouzit, Zo l tan Haiman, Xiangyu Jin, Hyunsung D. Jun, Koki Kakiichi, Yana Khusanova, Girish Kulkarni, Federica Loiacono, Alessandro Lupi, Chiara Mazzucchelli, Zhiwei Pan, Sofía Rojas-Ruiz, Michael A. Strauss, Wei Leong Tee, Benny Trakhtenbrot, Maxime Trebitsch, Bram Venemans, Marianne Vestergaard, Marta Volonteri, Fabian Walter , Zhang-Liang Xie, Minghao Yue, Haowen Zhang, Huanian Zhang und Siwei Zou, 29. Juni 2023, Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.
DOI: 10.3847/2041-8213/acc9c8