Astronomen der University of California in Irvine und des Space Telescope Science Institute in Baltimore haben die bislang genaueste statistische Beschreibung von schwachen, frühen Galaxien erstellt, so wie sie 500 Millionen Jahre nach dem Urknall im Universum existierten.
In einer Abhandlung, die am 7. September 2015 im Journal Nature Communications erschien, beschreibt das Team seine Verwendung einer neuen statistischen Methode, um Daten des Weltraumteleskops Hubble zu analysieren, die im Rahmen langfristiger Himmelsdurchmusterungen gesammelt wurden. Die Methode versetzte die Wissenschaftler in die Lage, Signale aus dem Rauschen in Hubbles Deepsky-Bildern herauszufiltern, was die erste Abschätzung der Anzahl von kleinen, primordialen Galaxien im frühen Universum lieferte. Die Forscher schlussfolgerten, dass es dort fast zehnmal mehr von diesen Galaxien gab, als in den Hubble-Deep-Surveys bisher registriert wurden.
Der Doktorand Ketron Mitchell-Wynne von der University of California in Irvine (UCI), der Hauptautor der Abhandlung, sagte, dass die untersuchte Zeitperiode als die sogenannte “Reionisierungsepoche” bekannt sei. Sie folgte nach dem Urknall und ein paar hundert Millionen Jahren, in denen ein dunkles Universum von photonenabsorbierendem, neutralen Wasserstoff dominiert wurde. Die Reionisierungsepoche war durch einen Phasenübergang des Wasserstoffgases aufgrund der beschleunigten Stern- und Galaxienentstehungsprozesse gekennzeichnet.
“Es ist die früheste Zeit, die man mit dem Weltraumteleskop Hubble untersuchen kann”, sagte Mitchell-Wynne. Hubbles Kamera nutzt CCD-Sensoren – qualitativ hochwertige, elektronische Bildsensoren, die zuerst in der Astronomie verwendet wurden, bevor sie in professionelle Videokameras eingebaut wurden. Das Team betrachtete Daten, die optische und infrarote Wellenlängen umfassten. Photonen im infraroten Spektrum stammen direkt von Sternen und Galaxien.
Der Kosmologe und Projektleiter Asantha Cooray von der UCI verwies auf kürzliche Untersuchungen des extragalaktischen Infrarothintergrundlichts mit dem CIBER-Instrument des Caltech. “CIBER registrierte den Infrarothintergrund bei zwei Wellenlängen: 1,1 und 1,6 Mikrometern”, sagte er. Diese Messungen führten die CIBER-Gruppe zur Bestätigung der Existenz von “Intrahalo-Licht”, das von Sternen stammt, welche außerhalb der Galaxien liegen.
“Wir vermuten, dass es dort tatsächlich Intrahalo-Licht gibt, aber wir machten eine neue Entdeckung, indem wir mit Hubble fünf Infrarotbänder anschauten”, sagte der Physik- und Astronomieprofessor Cooray. Wir überschneiden uns sozusagen mit den CIBER-Daten und betrachten dann kurzwellige, optische Wellenlängen, und wir sehen außer dem Intrahalo-Licht eine neue Komponente: Sterne und Galaxien, die im frühen Universum entstanden.”
Der Deepsky-Survey war Teil eines größeren, auf Hubble basierenden Forschungsprojekts namens Cosmic Assembly Near-Infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS). “CANDELS wurde nicht für diesen Zweck erdacht, aber es stellt sich heraus, dass die Art und Weise der Datensammlung für unser Vorhaben vorteilhaft war”, sagte Mitchell-Wynne. “Aus der CIBER-Analyse wussten wir, dass es in den Infrarotbändern eine Beobachtung von Intrahalo-Licht geben würde. Wir wussten nicht wirklich, was wir in den optischen Wellenlängen zu erwarten hatten. In den Hubble-Daten sahen wir einen starken Abfall der Amplitude des Signals zwischen den infraroten und den optischen Wellenlängen. Mit diesen Spektren begannen wir, etwas mehr davon überzeugt zu sein, dass wir die frühesten Galaxien sahen.”
“Für diese Forschungsarbeit mussten wir genau anschauen, was wir als ‘leere Pixel’ bezeichnen: die Pixel zwischen Galaxien und Sternen”, sagte Cooray. “Wir können Rauschen von dem schwachen Signal der ersten Galaxien unterscheiden, indem wir Intensitätsschwankungen von einem Pixel zum nächsten angucken. Wir suchen uns ein statistisches Signal heraus, welches besagt, dass es dort eine Population von schwachen Objekten gibt. Wir sehen dieses Signal nicht in den optischen Wellenlängen, nur in den infraroten. Das ist die Bestätigung dafür, dass das Signal aus der Frühzeit des Universums stammt.”
Cooray vermutet, dass sich diese primordialen Galaxien sehr von den gut definierten spiral- und scheibenförmigen Galaxien unterscheiden, die jetzt im Universum sichtbar sind. Sie waren diffuser und von Riesensternen bevölkert. Cooray merkte an, dass weitere Belege für die Ergebnisse des Teams mit dem Start des James Webb Space Telescope im Jahr 2018 möglich sein werden. “Diese Galaxien sind sehr schwach”, sagte er. “Wenn wir also ein größeres Teleskop wie das James Webb Space Telescope haben, können wir sehr weit zurück blicken und sie einzeln betrachten.”
“Das ist eine sehr spannende Entdeckung”, sagte Henry C. Ferguson, ein Astronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore und stellvertretender Leiter des CANDELS-Projekts. “Es ist das erste Mal, dass wir imstande waren, mit Hubble diese schwache Signatur der frühen Galaxien überzeugend zu messen. Das gibt uns ein besseren Eindruck dessen, wonach wir suchen müssen, wenn in ein paar Jahren das James Webb Space Telescope startet.”
Ein anderes Forschungsgebiet, das Cooray in naher Zukunft weiterzuführen hofft, ist die Untersuchung desselben Himmelsausschnitts in anderen Wellenlängenbereichen wie etwa Röntgenstrahlung mit dem Chandra X-ray Observatory der NASA. “Könnte es dort Röntgenemissionen geben, die mit den primordialen Dingen in Zusammenhang stehen? Theoretische Astrophysiker haben erklärt, dass die ersten Sterne wirklich rasch kollabierten, weil sie so massereich waren. Sie wurden nicht zu Supernovae und verteilten keine Materie – man nimmt an, dass sie zu Schwarzen Löchern kollabierten. Wir möchten sehen, ob es irgendwelche Röntgenemissionen gibt, die mit solchen Ereignissen in Bezug stehen.”
(THK)
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