Neue Entdeckung des Webb-Teleskops: Galaxienentstehung direkt „sehen“

In der Ausgabe des Magazins Science vom 24. Mai 2024 untersucht ein Artikel die Häufigkeit von neutralem atomarem Wasserstoff in Galaxien im frühen Universum und seine Auswirkungen auf die Galaxienentstehung. Das Forschungsteam verwendete Nahinfrarot-Spektraldaten des James-Webb-Weltraumteleskops JWST, um 12 Galaxien mit Rotverschiebungen über 8 zu analysieren. Durch die Spektralanalyse stellten die Forscher fest, dass drei der Galaxien eine starke gedämpfte Lyman-Alpha-Absorption aufwiesen, ein Merkmal, das auf das Vorhandensein einer großen Menge neutralen atomaren Wasserstoffs um diese Galaxien herum hinweist.

Die drei Galaxien liegen bei Rotverschiebungen von 8,8, 10,2 und 11,4, was etwa 400 bis 600 Millionen Jahren nach dem Urknall entspricht, als sich das Universum in den ersten 3 bis 4 % seiner gesamten Lebensdauer von 13,8 Milliarden Jahren befand. Man kann sagen, dass es noch sehr früh ist. Ihre neutrale Wasserstoffsäulendichte erreicht 10^22 cm^-2 und ist damit um eine Größenordnung höher als die des völlig neutralen intergalaktischen Mediums. Dies lässt darauf schließen, dass es in diesen jungen Galaxien reichlich Gas gibt und dass dieses Gas der Rohstoff für die Galaxienbildung ist.

Der Artikel untersuchte außerdem die spektralen Eigenschaften dieser Galaxien, maß ihre Rotverschiebungen und Sauerstoffhäufigkeiten und bestätigte, dass die Sternentstehungsrate dieser Galaxien zwischen 1 und 15 Sonnenmassen pro Jahr liegt. Durch Modellanpassung stellten die Forscher fest, dass der neutrale Wasserstoff in diesen Galaxien hauptsächlich aus dem Inneren der Galaxie oder ihren umliegenden Gebieten stammt und nicht aus dem intergalaktischen Medium.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass es im frühen Universum große Mengen neutralen Wasserstoffs um Galaxien herum gibt. Dieses Wasserstoffgas hat eine starke Abschirmwirkung auf ionisierende Photonen und beeinflusst dadurch die Fluchtrate der Galaxien vor ionisierender Strahlung. Diese Entdeckung hat wichtige Auswirkungen auf das Verständnis der Galaxienentstehung und der großräumigen Reionisierungsprozesse im frühen Universum.

Wir wissen, dass die Entstehung und Entwicklung des Universums ein gewaltiger und komplexer Prozess ist, der vor etwa 13,8 Milliarden Jahren mit dem Urknall begann. Die Urknalltheorie geht davon aus, dass sich das Universum aus einem extrem heißen und dichten Zustand rasch ausdehnte, dann allmählich abkühlte und die kosmische Struktur bildete, die wir heute sehen. In den ersten Minuten nach dem Urknall begannen sich Elementarteilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen zu bilden, die sich später zu den leichtesten Elementen wie Wasserstoff und Helium verbanden.

Während sich das Universum weiter ausdehnte und abkühlte, begann die Schwerkraft, Materie zusammenzuballen, wodurch die ersten Galaxien und Sterne entstanden. Diese frühen Sterne synthetisierten schwerere Elemente durch Kernfusionsreaktionen und streuten diese Elemente am Ende ihres Lebens durch Supernova-Explosionen in den umgebenden Weltraum. Diese schweren Elemente wurden zur Grundlage für die spätere Entstehung von Sternen und Planeten.

Die Entstehung und Entwicklung von Galaxien ist ein zentraler Aspekt der Evolution des Universums. Galaxien sammeln durch ihre Schwerkraft kontinuierlich Gas und Staub aus ihrer Umgebung an und entwickeln sich durch Prozesse wie Sternentstehung und Galaxienverschmelzungen weiter. Sternentstehungsaktivität und Supernova-Explosionen in Galaxien beeinflussen nicht nur die Struktur und Dynamik innerhalb der Galaxien, sondern haben auch wichtige Auswirkungen auf das intergalaktische Medium. Die intensive Strahlung, die bei der Sternentstehung entsteht, und die Stoßwellen, die bei Supernova-Explosionen entstehen, können das intergalaktische Medium erhitzen und ionisieren und sogar einen Teil des Gases aus der Galaxie schleudern.

Darüber hinaus spielen dunkle Materie und dunkle Energie auch bei der Entstehung und Entwicklung des Universums eine wichtige Rolle. Dunkle Materie fördert durch ihre Gravitationswirkung die Ansammlung von Materie und trägt so zur Bildung von Galaxien und Galaxienhaufen bei. Dunkle Energie treibt die beschleunigte Expansion des Universums voran und beeinflusst seine großräumige Struktur und Entwicklung.

Insgesamt gesehen ist die Entstehung und Entwicklung des Universums ein Prozess vom Einfachen zum Komplexen, vom Einheitlichen zum Strukturierten. Durch die Untersuchung von Galaxien, Sternen und dem intergalaktischen Medium entdecken Wissenschaftler immer wieder Details über die Entwicklung des Universums. Ein Großteil der Forschung in der modernen Astronomie und Kosmologie konzentriert sich auf das Verständnis dieser Evolutionsprozesse und der ihnen zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen, um unsere letzten Fragen zum Ursprung und Schicksal des Universums zu beantworten.

Diese Entdeckung, die Entstehung von Galaxien direkt „sehen“ zu können, ist von großer Bedeutung. Es überprüft nicht nur theoretische Modelle und bereichert unser Verständnis der frühen Struktur des Universums, sondern fördert auch die Entwicklung astronomischer Technologien und weist die Richtung für zukünftige Forschungen. Diese Entdeckung hat weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis der wissenschaftlichen Gemeinschaft hinsichtlich der Entstehung und Entwicklung des Universums.

Durch die direkte Beobachtung der Entstehung früher Galaxien können wir die frühe Geschichte des Universums nach dem Urknall besser verstehen. Die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung und des Sternentstehungsprozesses früher Galaxien kann uns helfen, die Bedingungen für die Entstehung von Leben zu verstehen. Die für das Leben notwendigen Elemente (wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff usw.) wurden in frühen Sternen gebildet und durch Supernova-Explosionen in der Galaxie verbreitet. Das Verständnis dieser Prozesse hilft bei der Beantwortung der Frage, wie sich aus einem leblosen Universum Leben entwickelt hat. Für viele Menschen ist das Verständnis des Ursprungs und der Entwicklung des Universums nicht nur eine wissenschaftliche Frage, sondern auch eine Frage von philosophischer und existenzieller Bedeutung. Indem wir die Ursprünge des Universums und unsere eigenen Ursprünge erforschen, versuchen wir, tiefere Fragen zu unserer Existenz zu beantworten: woher wir kommen, warum wir existieren und was die Zukunft für uns bereithält. Diese wissenschaftlichen Entdeckungen liefern wichtige Hintergründe und Grundlagen für dieses philosophische Denken.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird

Autor: Gou Lijun, Forscher am Nationalen Astronomischen Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Gutachter: Sun Zhibin, Forscher, National Space Science Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.