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Astronomie

Eine Reise von 12,9 Milliarden Jahren

Das Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA hat einen außergewöhnlich neuen Maßstab aufgestellt: die Erkennung des Lichts eines Sterns, der innerhalb der ersten Milliarde Jahre nach der Geburt des Universums im Urknall existierte (mit einer Rotverschiebung von 6,2) – dem entferntesten Einzelstern, der je gesehen wurde. Damit wird ein Ziel für das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA in seinem ersten Jahr erreicht.

Dieser Fund ist ein großer Zeitsprung im Vergleich zum vorherigen Einzelstern-Rekordhalter; 2018 von Hubble entdeckt . Der Stern existierte, als das Universum etwa 4 Milliarden Jahre alt war, oder 30 Prozent seines heutigen Alters, zu einer Zeit, die Astronomen als „Rotverschiebung 1,5“ bezeichnen. Wissenschaftler verwenden das Wort „Rotverschiebung“, weil das Licht von entfernten Objekten bei der Ausdehnung des Universums gestreckt oder zu längeren, röteren Wellenlängen „verschoben“ wird, wenn es auf uns zukommt.

Aber der neu entdeckte Stern ist so weit entfernt, dass sein Licht 12,9 Milliarden Jahre gebraucht hat, um die Erde zu erreichen, und erscheint den Forschern so, als hätte das Universum nur 7 Prozent seines aktuellen Alters, bei einer Rotverschiebung von 6,2. Die kleinsten Objekte, die bisher in so großer Entfernung gesehen wurden, sind Sternhaufen, eingebettet in frühe Galaxien.

„ Wir haben es zuerst fast nicht geglaubt, es war so viel weiter als der zuvor am weitesten entfernte Stern mit der höchsten Rotverschiebung “, sagt Astronom Brian Welch von der Johns Hopkins University in Baltimore, Hauptautor der Abhandlung, die die Entdeckung beschreibt veröffentlicht in der Zeitschrift Nature. Die Entdeckung wurde anhand von Daten gemacht, die während des RELICS-Programms (Reionization Lensing Cluster Survey) von Hubble unter der Leitung von Co-Autor Dan Coe vom Space Telescope Science Institute (STScI) gesammelt wurden.

„ Normalerweise sehen ganze Galaxien aus diesen Entfernungen wie kleine Flecken aus, in denen sich das Licht von Millionen von Sternen vermischt “, sagt Welch. „ Die Galaxie, die diesen Stern beherbergt, wurde durch Gravitationslinsen vergrößert und zu einer langen Sichel verzerrt, die wir Sonnenaufgangsbogen genannt haben.” Nachdem er die Galaxie im Detail studiert hatte, stellte Welch fest, dass ein Merkmal ein extrem vergrößerter Stern ist, den er Earendel nannte, was auf Altenglisch „Morgenstern“ bedeutet. Die Entdeckung verspricht, eine unerforschte Ära der sehr frühen Sternentstehung zu eröffnen.

„ Earendel existierte vor so langer Zeit, dass es möglicherweise nicht die gleichen Rohstoffe hatte wie die Sterne um uns heute “, erklärt Welch. „ Das Studium von Earendel wird ein Fenster zu einer Ära des Universums sein, mit der wir nicht vertraut sind, die aber zu allem führte, was wir wissen. Es ist, als hätten wir ein wirklich interessantes Buch gelesen, aber wir haben mit dem zweiten Kapitel begonnen, und jetzt haben wir die Möglichkeit zu sehen, wie alles angefangen hat “, sagt Welch.

„ Es gibt eine langjährige theoretische Vorhersage, dass Sterne, die sich ausschließlich aus den Elementen bilden, die kurz nach dem Urknall entstanden sind – Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium – massereicher sein sollten als die Sterne, die sich heute bilden “, fügte ein Teammitglied hinzu Erik Zackrisson vom Institut für Physik und Astronomie der Universität Uppsala in Schweden. „ Diese Ursterne, bekannt als Population-III-Sterne, sind Beobachtern bisher entgangen, könnten aber erkennbar gemacht werden, wenn sie einer sehr starken Vergrößerung durch Gravitationslinsen ausgesetzt werden, wie im Fall des Earendel-Objekts. 

Das Forschungsteam schätzt, dass Earendel mindestens die 50-fache Masse unserer Sonne und Millionen Mal so hell ist und damit mit den massereichsten bekannten Sternen konkurriert. Aber selbst ein so brillanter, sehr massereicher Stern wäre ohne die Hilfe der natürlichen Vergrößerung durch einen riesigen Galaxienhaufen, in diesem Fall bekannt als WHL0137-08, der zwischen uns und Earendel sitzt, unmöglich in einer so großen Entfernung zu sehen. Die Masse des Galaxienhaufens verzerrt das Gewebe des Weltraums und erzeugt ein starkes natürliches Vergrößerungsglas, das das Licht entfernter Objekte dahinter verzerrt und stark verstärkt.

Dank der seltenen Ausrichtung mit dem vergrößernden Galaxienhaufen erscheint der Stern Earendel direkt auf oder extrem nahe an einer Welle im Weltraumgewebe. Diese Welligkeit, die in der Optik als „Caustic“ bezeichnet wird, sorgt für maximale Vergrößerung und Aufhellung. Der Effekt ist analog zu der geriffelten Oberfläche eines Swimmingpools, die an einem sonnigen Tag helle Lichtmuster auf dem Beckenboden erzeugt. Die Wellen auf der Oberfläche wirken wie Linsen und bündeln das Sonnenlicht mit maximaler Helligkeit auf dem Beckenboden.

Dieses Ätzmittel lässt den Stern Earendel aus dem allgemeinen Leuchten seiner Heimatgalaxie herausspringen. Seine Helligkeit wird tausendfach oder mehr vergrößert. An diesem Punkt können Astronomen nicht feststellen, ob Earendel ein Doppelstern ist, aber die meisten massereichen Sterne haben mindestens einen kleineren Begleitstern.
Astronomen erwarten, dass Earendel in den kommenden Jahren stark vergrößert bleiben wird.  Es wird später im Jahr 2022 vom NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope [1] beobachtet [2] . Webbs hohe Empfindlichkeit gegenüber Infrarotlicht wird benötigt, um mehr über Earendel zu erfahren, da sein Licht durch die Expansion des Universums zu längeren Infrarotwellenlängen gestreckt (rotverschoben) wird. 

„ Die Bilder und Spektren von Webb werden es uns ermöglichen, zu bestätigen, dass Earendel tatsächlich ein Stern ist, und sein Alter, seine Temperatur, Masse und seinen Radius einzugrenzen “, erklärte Teammitglied Jose Maria Diego vom Instituto de Física de Cantabria in Spanien. „ Die Kombination von Beobachtungen von Hubble und Webb wird es uns ermöglichen, auch etwas über Mikrolinsen im Galaxienhaufen zu lernen, die exotische Objekte wie primordiale Schwarze Löcher enthalten könnten. 

Earendels Zusammensetzung wird für Astronomen von großem Interesse sein, da sie entstand, bevor das Universum mit den schweren Elementen gefüllt war, die von aufeinanderfolgenden Generationen massereicher Sterne produziert wurden. Wenn Folgestudien ergeben, dass Earendel nur aus Urwasserstoff und Helium besteht, wäre dies der erste Beweis für die legendären Sterne der Population III, von denen angenommen wird, dass sie die allerersten Sterne sind, die nach dem Urknall entstanden sind. Obwohl die Wahrscheinlichkeit gering ist, gibt Welch zu, dass sie dennoch verlockend ist.

„ Mit Webb könnten wir Sterne sehen, die noch weiter entfernt sind als Earendel, was unglaublich aufregend wäre “, sagte Welch. „ Wir gehen so weit zurück, wie wir können. Ich würde gerne sehen, wie Webb den Streckenrekord von Earendel bricht. 

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