Warum ist dieses Foto 10 Milliarden wert?

Am 11. Juli 2022 wurde das erste Farbbild des James Webb-Weltraumteleskops (JWST) offiziell veröffentlicht und wurde sofort zum bekanntesten Sternenhimmelfoto für Internetnutzer auf der ganzen Welt.

Die Frage ist jedoch, warum dieses Foto so unordentlich aussieht – was genau wird hier fotografiert?

Tatsächlich zeigt dieses Foto einen Galaxienhaufen namens SMACS 0723.3-7327 , der 6,9 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist. Dieses Foto ist voller interessanter Details und kann als bedeutendes monumentales Kunstwerk betrachtet werden.

Wenn wir dieses „ Himmelsbild der kleinen Hitze“, das nach der Sonnenperiode der kleinen Hitze veröffentlicht wurde, mit der gleichen Begeisterung betrachten, mit der wir das unsterbliche Meisterwerk „Entlang des Flusses während des Qingming-Festes“ würdigen, können wir auch interessante Details erkennen und uns darin vertiefen.

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"Flacher Bogen"

Beginnen wir mit einigen weniger auffälligen Orten. Die „Minor Heat Sky Map“ weist viele farbenfrohe Highlights auf, aber auch an relativ dunklen Stellen sind wunderbare Details zu sehen.

In Abbildung 1 können Sie einige flache Bögen sehen. Obwohl sie „dunkel“ sind, sind sie, wie die erstaunlichsten riesigen Gravitationsbögen auf dem Foto, Meisterwerke des Gravitationslinseneffekts, der von Galaxienhaufen erzeugt wird .

Abbildung 1

Sie haben vielleicht gehört, dass die Schwerkraft gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie Licht krümmen kann. Im mittleren Teil der „Minor Heat Sky Map“ befindet sich der zentrale Bereich des Galaxienhaufens SMACS 0723.3-7327. Der erhebliche Gravitationseffekt, der durch die enorme Masse des Galaxienhaufens verursacht wird, lenkt einige der elektromagnetischen Wellen ab, die durch diesen Bereich hindurchgehen und auf uns gerichtet sind , und erzeugt so diese flachen Bögen.

Die erstaunlichen Gravitationseffekte, die das Licht krümmen, werden tatsächlich nicht in erster Linie durch die hellen Galaxien verursacht, die Sie auf dem Foto sehen. In Wirklichkeit sind Galaxienhaufen in riesige, unsichtbare Ansammlungen von Materie eingebettet, die Astronomen als Dunkle-Materie-Halos bezeichnen und viel größer sind als das gesamte Foto. Die Beschreibung der Verteilung dieser dunklen Materie ist auch eine der wichtigen Aufgaben der Astronomen.

Für Astronomen sind diese gekrümmten Bögen wie Koi-Kois, die langsam in einem Teich schwimmen, und die dunkle Materie ist das Teichwasser. Wir können das kristallklare Wasser im Teich nicht sehen, aber wir wissen, dass sich das Wasser zwischen den Koi-Fischen befindet – jeder Koi-Fisch trägt dazu bei, das Verständnis der Astronomen für das dunkle Universum zu erweitern.

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"Verzerrte Galaxien"

Die gekrümmte Struktur in Abbildung 2 ist das auffälligste Element im „Weniger Hitze-Himmelsbild“.

Der oben erwähnte Gravitationslinseneffekt der dunklen Materie kann Hintergrundgalaxien eine Vielzahl einzigartiger Formen verleihen. Die verzerrte Spiralgalaxie links in Abbildung 2 ähnelt stark der verzerrten Uhr in Dalis berühmtem Werk „Die schmelzende Uhr“.

Abbildung 2

Interessanter sind jedoch die wissenschaftlichen Details. Die beiden verzerrten Galaxien, die in Abbildung 2 orange hervorgehoben sind, scheinen zu versuchen, eine Kollision mit den weißen Galaxien neben ihnen zu vermeiden. Diese scheinbar „verdrehte“ Haltung hängt auch mit dunkler Materie zusammen.

Um diese weißen Galaxien herum gibt es auch „Subhalos“, die ihr jeweiliges Schicksal bestimmen. Diese Strukturen, die kleiner sind als der Dunkle-Materie-Halo des Galaxienhaufens, zwingen das Licht der orangefarbenen Galaxie, „herumzulaufen“, wodurch ein verzerrtes Erscheinungsbild entsteht. Solche Strukturen ermöglichen es Astronomen, „Klumpen“ innerhalb der Dunkle-Materie-Halos von Galaxienhaufen zu erkennen . Die schrittweise Reduzierung des Beobachtungsmaßstabs kann uns auch dabei helfen, der Antwort auf die Frage „Was ist dunkle Materie?“ näher zu kommen.

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„Perlenartige Highlights“

Der Bereich in Abbildung 3 ist sehr klein, aber wenn Sie hineinzoomen, können Sie einige kleine perlenartige helle Flecken erkennen, die in der Galaxie verstreut sind. Bei diesen Perlen handelt es sich eigentlich um eine Reihe junger Sternhaufen, die in der Frühzeit des Universums in Galaxien entstanden sind .

Abbildung 3

Während den Astronomen bisher keine guten Bedingungen zur direkten Beobachtung dieser „Perlen“ zur Verfügung standen, können sie nun auch die Entstehung von Sternen in weit entfernten Galaxien detailliert studieren.

Darüber hinaus bietet jede „Perle“, ähnlich wie der vorherige „Koi“, zusätzliche Wegweiser zur Kartierung der Dunklen Materie . Was können ihre genauen Standorte den Astronomen über die Verteilung der dunklen Materie auf Skalen sagen, die kleiner sind als einzelne Galaxien? Gibt es eine detailliertere Struktur? Diese Fragen beschäftigen Astronomen schon seit langem.

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"Symmetrische Galaxie"

Wenn Sie den Bereich in Abbildung 4 vergrößern und genau hinsehen könnten, würden Sie möglicherweise feststellen, dass die Galaxie bilateral symmetrisch zu sein scheint.

Abbildung 4

Die Symmetrieachse habe ich auf der vergrößerten Abbildung mit einer gepunkteten Linie markiert. Sehen Sie, sind die hellen Punkte, auf die die Pfeile zeigen, auf beiden Seiten dieser Symmetrieachse völlig symmetrisch?

Ein solch symmetrisches Muster entspricht nicht dem wahren Erscheinungsbild dieser Galaxie. Tatsächlich entsteht der besondere „gefaltete Lichtbogen“, weil er sich zufällig an einer bestimmten Position in der Massenverteilung der „Gravitationslinse“ befindet .

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"Zinnoberpunkte"

Die beiden Bereiche in Abbildung 5 haben jeweils einen kleinen leuchtend roten Punkt, der so schön ist wie ein Punkt aus Zinnober. Ich muss Sie noch einmal daran erinnern, dass das Wellenlängenband dieses Fotos nicht im sichtbaren Lichtbereich liegt und alle Farben im Bild das Ergebnis einer nachträglichen Farbkorrektur durch das Produktionspersonal sind.

Abbildung 5

Die Füllfarben haben jedoch immer noch eine physikalische Bedeutung. Diese beiden „Zinnoberflecken“ sind die Traumziele vieler Astronomen: Die leuchtend rote Farbe bedeutet, dass ihre Strahlung vollständig im Infrarotbereich mit der längsten Wellenlänge konzentriert ist, was das typische Beobachtungsmerkmal von Galaxien im sehr frühen Universum ist .

Sie entstanden im „jungen Universum“, das erst 100 bis 200 Millionen Jahre alt war, und sind extrem weit von der Erde entfernt, sodass ihr Licht extrem schwach ist – man kann sie nur mit Hilfe einer kosmischen Lupe, wie zum Beispiel einem Galaxienhaufen, erkennen.

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Elliptische Galaxie

Schauen wir uns nun noch einmal die Mitte dieses Fotos an. Abbildung 6 zeigt die auffälligste Galaxie im gesamten Bild: eine elliptische Galaxie im Zentrum eines Galaxienhaufens. Sie sind die massereichsten und seltensten Galaxien im Universum und haben eine Masse, die bis zu einer Billion Mal so groß ist wie die unserer Sonne .

Abbildung 6

Unter ihren cremigen, sanften Farben und ihrem ruhigen Äußeren verbirgt sich ein endloser Kreislauf des Überlebens des Stärkeren in den Galaxien, der sich über mehr als 10 Milliarden Jahre erstreckt. Durch häufige und wiederholte Galaxienverschmelzungen entstand schließlich dieses riesige Objekt.

Wenn Sie genauer hinsehen, können Sie vielleicht sogar schwache Sterne erkennen, die sich vor dem seidigen Licht der Galaxie abheben . Tatsächlich handelt es sich dabei um Kugelsternhaufen, also Sternsysteme, die nur unter einzigartigen Bedingungen in der Antike entstehen konnten und Zeugen einst gewaltiger Sternentstehungsaktivitäten sind. Heute ist die Sternentstehungsaktivität in der Galaxie völlig zum Erliegen gekommen, und nur die über den Erdboden verstreuten Kugelsternhaufen zeugen noch von ihrer früheren Pracht.

Tatsächlich können Astronomen in dieser scheinbar sehr „unordentlichen“ „Minor Heat Sky Map“ des JWST mindestens 10.000 Sternhaufen finden, wie in Abbildung 6 dargestellt . Die großartige und enthusiastische Atmosphäre ist während der Geburt des Universums zu spüren.

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"Schwimmende Quallen"

Abbildung 7 sieht aus wie eine Qualle, die im dunklen Raum schwebt. Die Galaxie in der unteren rechten Ecke sieht aus wie der Kopf einer Qualle, während die diffuse, flockige Struktur in der oberen linken Ecke wie die Tentakeln einer Qualle aussieht.

Abbildung 7

Die auf den ersten Blick elegante und schöne „Qualle“ spiegelt in Wirklichkeit die äußerst grausame Seite des Galaxienhaufens wider: Das Hochtemperaturplasma trägt nach und nach das Gas aus der Galaxie ab, und das treibende Gas bildet schließlich eine streifenartige Struktur, die wie die Tentakeln einer Qualle aussieht. Dieser Vorgang wird als „ Stanzentschichten “ bezeichnet.

Sie können die Wirkung selbst demonstrieren: Stellen Sie sich vor, Sie laufen in einer windstillen Turnhalle, auf der ein Stapel Zeitungen ausgebreitet ist. Der entgegenkommende Luftstrom reißt die Zeitungen einzeln auseinander und wirft sie weg. Dies liegt daran, dass die Luftmoleküle aufgrund der Laufgeschwindigkeit genügend Druck auf die Zeitung ausüben, um das Gewicht und die Reibung zu überwinden. Ähnliche Prozesse finden ständig in Galaxienhaufen statt.

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"Strudel-Galaxie"

Es gibt so viele wundervolle Dinge in diesem „Weniger Hitze-Bild“. Infolgedessen weisen diese „normalen“ Galaxien keine besonderen Merkmale auf und werden leicht übersehen.

Aber wenn Sie sie genauer betrachten, werden Sie feststellen, dass jede Galaxie ihre eigene, einzigartige Persönlichkeit hat, genau wie die vielen lebhaften Charaktere in „Entlang des Flusses während des Qingming-Festes“. Unter ihnen sind die in Abbildung 8 dargestellten verschiedenen Typen von Spiralgalaxien am zahlreichsten.

Abbildung 8

Ihre Spiralarme sind entweder großzügig ausgestreckt, ungezügelt und ungezügelt oder durch Spannung verdreht und stellen die kräftige Vitalität des Ökosystems der Galaxie dar. Als Astronom kommt mir eine Spiralgalaxie immer sehr bekannt vor, weil das Inseluniversum, in dem wir leben, genau so eine gewöhnlich aussehende Spiralgalaxie ist .

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„Ein vager ‚Schatten‘“

Noch weniger auffällig als die Spiralgalaxie in Abbildung 8 sind die unscharfen „Schatten“ in Abbildung 9.

Abb. 9

Diese Schatten werden „ Galaxien mit geringer Helligkeit “ genannt. Sie sind so dunkel, weil die Sterne in ihnen sehr spärlich verteilt sind. Sie sind schwer zu beobachten – selbst mit dem leistungsstärksten Weltraumteleskop aller Zeiten, wie etwa JWST.

In den letzten Jahren haben Astronomen jedoch erkannt, dass diese Kerle für Galaxienhaufen unverzichtbar sind. Ihr einzigartiges Erscheinungsbild ist wahrscheinlich auf die besonderen Eigenschaften der Dunkle-Materie-Halos zurückzuführen, die sie hervorgebracht haben, oder auf einige besondere physikalische Prozesse . Über diese Schatten wissen die Astronomen derzeit nur sehr wenig, doch sie bergen ein enormes wissenschaftliches Potenzial.

Tatsächlich gibt es in den Bereichen mit geringer Oberflächenhelligkeit des Bildes viele Himmelskörper, von denen wir nichts wissen. Beispielsweise hat die „klauenartige“ Struktur ganz rechts in Abbildung 9 viele erfahrene Astronomen verwirrt.

Handelt es sich hierbei um eine extrem ausgedehnte Galaxie, die durch Gravitationslinsen verzerrt wird? Oder die Überreste einer zerfallenden Galaxie? Noch weiß niemand, warum, und mit zunehmender Intensität der Beobachtungen werden immer mehr ähnliche Rätsel ans Licht kommen.

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"Intercluster-Licht"

Abbildung 10 zeigt die größte Helligkeitsstruktur mit geringer Oberflächenhelligkeit im Originalbild der „Minor Heat Sky Map“. Man kann sagen, dass es sich dabei um den am wenigsten auffälligen Bereich handelt. Wenn wir jedoch das Bildverschönerungstool verwenden und den Kontrast so weit wie möglich erhöhen, können wir an den beiden Enden der Galaxie zwei verschwommene Lichter sehen .

Abb.10

Vertrauen Sie Ihren Augen nicht, dies ist echtes „ Intercluster-Licht “ und ein Zeugnis der Geschichte der Galaxienhaufen-Bildung. Wenn eine Galaxie in einen Galaxienhaufen fällt und dabei zerfällt und verschluckt wird, werden einige Sterne herausgerissen und wandern zwischen den Galaxien umher.

Nach unzähligen Fusionen können diese „Geister“ genügend Masse ansammeln. Das unscharfe „Intergruppenlicht“ symbolisiert die Grenze zwischen der hellen und der dunklen Welt. Sie sind nicht nur wichtige Hinweise für die Untersuchung der Entstehungsgeschichte von Galaxienhaufen, sondern auch Wegweiser für Astronomen, um die Verteilung der dunklen Materie darzustellen.

In dieser „Minor Heat Sky Map“ können Astronomen Zehntausende von Himmelskörpern identifizieren. Die oben genannten 10 Details sind nur einige Worte des großen kosmischen Epos, das dieses Bild erzählt. Aber ich glaube, man kann das enorme Potenzial dieses leistungsstärksten Weltraumteleskops der Menschheitsgeschichte bereits spüren.

Als „Künstler“, der sich der Öffentlichkeit stellt, ist JWSTs erstes Werk „Less Heat in the Sky“ bereits so atemberaubend. Wie umwerfend werden seine reiferen Kreationen in der Zukunft sein? Warten wir es gemeinsam ab.

Autor｜Dr. Glatzköpfiges Monster

Rezension｜Liu Qian, Forscher am Beijing Planetarium