Winzige glänzende Objekte, die im Morgengrauen des Universums entdeckt wurden, verblüffen Wissenschaftler

Eine aktuelle Entdeckung des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) der NASA hat bestätigt, dass sehr rot leuchtende Objekte, die zuvor im frühen Universum entdeckt wurden, die herkömmliche Meinung über den Ursprung und die Entwicklung von Galaxien und ihren supermassereichen Schwarzen Löchern auf den Kopf stellen.

Ein internationales Team unter der Leitung von Forschern der Penn State University hat mit dem NIRSpec-Instrument an Bord von JWST im Rahmen der RUBIES-Studie drei mysteriöse Objekte im frühen Universum identifiziert, etwa 600 bis 800 Millionen Jahre nach dem Urknall, als das Universum noch existierte 5 % seines aktuellen Alters. Sie gaben die Entdeckung heute, am 27. Juni, bekannt Briefe aus astrophysikalischen Fachzeitschriften.

Das Team untersuchte Spektralmessungen, also die Intensität verschiedener Wellenlängen des von Objekten emittierten Lichts. Ihre Analyse ergab Signaturen „alter“ Sterne, die mehrere hundert Millionen Jahre alt sind und viel älter sind, als man es von einem jungen Universum erwarten würde.

Die Forscher sagten auch, sie seien überrascht, Signaturen riesiger supermassereicher Schwarzer Löcher in denselben Objekten zu entdecken, und schätzten, dass diese 100 bis 1.000 Mal massereicher seien als das supermassereiche Schwarze Loch in unserer eigenen Milchstraße. In aktuellen Modellen des Galaxienwachstums und der Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher ist kein Phänomen zu erwarten, die vorhersagen, dass Galaxien und ihre Schwarzen Löcher über Milliarden von Jahren kosmischer Geschichte zusammenwachsen.

„Wir haben bestätigt, dass diese Objekte in einem Universum, das nur 600 bis 800 Millionen Jahre alt ist, mit hunderten Millionen Jahren alten Sternen gefüllt zu sein scheinen. „Es ist bemerkenswert, dass diese Objekte den Rekord für die frühesten Lichtsignaturen alter Sterne halten“, sagte Bingjie Wang, Postdoktorandin an der Penn State University und Hauptautorin der Studie.

„Es war völlig unerwartet, alte Sterne in einem sehr jungen Universum zu finden. Standardmodelle der Kosmologie und Galaxienentstehung waren unglaublich erfolgreich, aber diese leuchtenden Objekte passen nicht ganz bequem in diese Theorien.“

Forscher entdeckten die massiven Objekte erstmals im Juli 2022, als der erste Datensatz von JWST veröffentlicht wurde. Das Team veröffentlichte einen Artikel in Natur einige Monate später verkündete er die Existenz der Objekte.

Damals vermuteten die Forscher, dass es sich bei den Objekten um Galaxien handelte, setzten ihre Analyse jedoch fort und nahmen Spektren auf, um die wahren Entfernungen der Objekte sowie die Quellen, die ihr immenses Licht antreiben, besser zu verstehen.

Anschließend nutzten die Forscher die neuen Daten, um ein klareres Bild davon zu erstellen, wie die Galaxien aussahen und was sie enthielten. Das Team bestätigte nicht nur, dass es sich bei den Objekten tatsächlich um Galaxien zu Beginn der Zeit handelte, sondern fand auch Hinweise auf überraschend große supermassereiche Schwarze Löcher und eine überraschend alte Sternpopulation.

„Es ist sehr verwirrend“, sagte Joel Leja, Assistenzprofessor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State und Co-Autor beider Arbeiten. „Das lässt sich schlecht in unser aktuelles Modell des Universums einfügen, aber nur, wenn wir eine exotische und unglaublich schnelle Entstehung zu Beginn der Zeit heraufbeschwören. Dies ist ohne Zweifel die eigenartigste und interessanteste Sammlung von Objekten, die ich in meiner Karriere gesehen habe. »

Das JWST ist mit Infrarot-Detektionsinstrumenten ausgestattet, die das von den ältesten Sternen und Galaxien emittierte Licht erkennen können. Im Wesentlichen ermöglicht das Teleskop den Wissenschaftlern eine Zeitreise in die Zeit vor etwa 13,5 Milliarden Jahren, nahe dem Beginn des Universums, wie wir es kennen, sagte Leja.

Eine der Herausforderungen bei der Analyse antiken Lichts besteht darin, dass es schwierig sein kann, zwischen den Objekttypen zu unterscheiden, die Licht emittiert haben könnten. Im Fall dieser frühen Objekte weisen sie klare Merkmale sowohl supermassereicher Schwarzer Löcher als auch alter Sterne auf.

Wang erklärte jedoch, es sei noch nicht klar, wie viel beobachtetes Licht von jeder von ihnen stammt, was bedeutet, dass es sich um frühe Galaxien handeln könnte, die überraschend alt und massereicher als unsere eigene Milchstraße sind und sich viel früher bilden, als Modelle vorhersagen oder dass sie es könnten Es wird mehr Galaxien normaler Masse mit „supermassiven“ Schwarzen Löchern geben, die etwa 100 bis 1.000 Mal massereicher sind, als eine solche Galaxie heute hätte.

„Es ist schwierig, zwischen Licht von Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, und Licht zu unterscheiden, das von Sternen in diesen winzigen, entfernten Objekten emittiert wird“, sagte Wang. „Die Unfähigkeit, anhand aktueller Daten zu differenzieren, lässt viel Spielraum für die Interpretation dieser faszinierenden Objekte. Ehrlich gesagt ist es aufregend, in diesem Mysterium noch so viel zu lüften. »

Abgesehen von ihrer unerklärlichen Masse und ihrem unerklärlichen Alter: Wenn ein Teil des Lichts tatsächlich von supermassereichen Schwarzen Löchern stammt, dann sind sie auch keine normalen supermassereichen Schwarzen Löcher. Sie erzeugen viel mehr ultraviolette Photonen als erwartet, und ähnlichen Objekten, die mit anderen Instrumenten untersucht wurden, fehlen die charakteristischen Signaturen supermassiver Schwarzer Löcher, wie heißer Staub und helle Röntgenemission. Aber das vielleicht Überraschendste ist laut Forschern ihr Ausmaß.

„Normalerweise werden supermassereiche Schwarze Löcher mit Galaxien in Verbindung gebracht“, sagte Leja. „Sie wachsen zusammen auf und machen alle wichtigen Lebenserfahrungen zusammen. Aber hier haben wir ein voll ausgebildetes erwachsenes Schwarzes Loch, das in einer Babygalaxie lebt. Das macht nicht wirklich Sinn, weil diese Dinge zusammenwachsen sollten, oder zumindest.“ Zumindest dachten wir das.“

Die Forscher waren auch verblüfft über die unglaublich geringe Größe dieser Systeme, nur wenige hundert Lichtjahre entfernt oder etwa 1.000 Mal kleiner als unsere eigene Milchstraße. Es gibt ungefähr so ​​viele Sterne wie in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße – mit zwischen 10 Milliarden und einer Billion Sternen –, aber in einem Volumen enthalten, das tausendmal kleiner ist als das der Milchstraße.

Leja erklärte, wenn wir die Milchstraße nehmen und sie auf die Größe der von ihnen gefundenen Galaxien komprimieren würden, läge der nächste Stern fast in unserem Sonnensystem. Das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, etwa 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt, wäre nur etwa 26 Lichtjahre von der Erde entfernt und wäre am Himmel als Säule aus riesigem Licht sichtbar.

„Diese frühen Galaxien wären so dicht mit Sternen, Sternen, die sich auf eine Weise gebildet haben müssen, die wir noch nie gesehen haben, unter Bedingungen, die wir nie erwartet hätten, in einer Zeit, in der wir nie erwartet hätten, sie zu sehen“, sagte Leja. „Und aus irgendeinem Grund hat das Universum nach nur wenigen Milliarden Jahren aufgehört, Objekte wie diese herzustellen. Sie sind einzigartig für den Anfang des Universums.“

Die Forscher hoffen, weitere Beobachtungen machen zu können, die ihrer Meinung nach dazu beitragen könnten, einige der Geheimnisse dieser Objekte zu erklären. Sie planen, tiefere Spektren zu erfassen, indem sie das Teleskop über längere Zeiträume auf die Objekte richten. Dies wird dazu beitragen, die Emissionen von Sternen und dem potenziell supermassiven Schwarzen Loch zu entschlüsseln, indem spezifische Absorptionssignaturen identifiziert werden, die in jedem Objekt vorhanden wären.

„Es gibt einen anderen Weg zum Durchbruch, und das ist genau die richtige Idee“, sagte Leja. „Wir haben alle diese Puzzleteile und sie passen nur dann zusammen, wenn wir die Tatsache ignorieren, dass einige von ihnen kaputt gehen. Dieses Problem kann durch einen Geniestreich gelöst werden, der uns, allen unseren Mitarbeitern und der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft bisher entgangen ist. »