03. April 2024: JWST  erkundet eine extreme Starburst-Galaxie

Inmitten eines Ortes voller neuer und junger Stars verbirgt sich eine komplizierte Unterkonstruktion

Ein Team von Astronomen hat das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA genutzt, um die Starburst-Galaxie zu untersuchen Messier 82 (M82).
Diese 12 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Ursa Major gelegene Galaxie ist relativ kompakt, beherbergt aber eine hektische Sternentstehung


Aktivität

Zum Vergleich: M82 lässt neue Sterne zehnmal schneller entstehen als die Milchstraße.

Unter der Leitung von Alberto Bolatto von der University of Maryland, College Park, richtete das Team Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera)
auf das Zentrum der Starburst-Galaxie und erlangte so einen genaueren Einblick in die physikalischen Bedingungen,
die die Entstehung neuer Sterne begünstigen.

„M82 hat im Laufe der Jahre eine Vielzahl von Beobachtungen gesammelt, da es als prototypische Starburst-Galaxie angesehen werden kann“,
sagte Bolatto, Hauptautor der Studie.
„Sowohl das Spitzer- als auch das Hubble-Weltraumteleskop der NASA haben dieses Ziel beobachtet.
Mit der Größe und Auflösung von Webb können wir diese Sternentstehungsgalaxie betrachten und all diese schönen, neuen Details sehen.“


Bild: M82, beobachtet vom Hubble- und Webb-Teleskop:


Bild: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Bolatto (University of Maryland)

Auf der linken Seite ist die Starburst-Galaxie M82 zu sehen, wie sie 2006 vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA beobachtet wurde.
Das kleine Kästchen im Kern der Galaxie entspricht dem Bereich, der bisher vom NIRCam-Instrument (Near-Infrared Camera)
am James Webb-Weltraumteleskop der NASA erfasst wurde.
Die von Webb gesehenen roten Filamente sind die Emission polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe, die die Form des galaktischen Windes nachzeichnen.
Im Hubble-Bild ist Licht bei 0,814 Mikrometer rot, 0,658 Mikrometer rot-orange, 0,555 Mikrometer grün und 0,435 Mikrometer blau
(Filter F814W, F658N, F555W bzw. F435W).
Im Webb-Bild ist Licht bei 3,35 Mikrometer rot, bei 2,50 Mikrometer grün und bei 1,64 Mikrometer blau (Filter F335M, F250M bzw. F164N).


Eine lebendige Sternengemeinschaft

Die Sternentstehung bleibt weiterhin geheimnisvoll, da sie von Vorhängen aus Staub und Gas umgeben ist, die die Beobachtung dieses Prozesses erschweren.
Glücklicherweise ist Webbs Fähigkeit, in den Infrarotbereich zu blicken, von großem Vorteil bei der Bewältigung dieser trüben Bedingungen.
Darüber hinaus wurden diese NIRCam-Bilder des Zentrums des Starbursts mit einem Instrumentenmodus aufgenommen, der verhinderte,
dass die sehr helle Quelle den Detektor überstrahlte.

Während sich selbst in dieser Infrarotansicht dunkelbraune Ranken aus schwerem Staub durch den leuchtend weißen Kern von M82 ziehen,
hat Webbs NIRCam einen Detaillierungsgrad enthüllt, der in der Vergangenheit verborgen blieb.
Wenn man näher zur Mitte schaut, kennzeichnen kleine grüne Flecken konzentrierte Eisenbereiche, von denen die meisten Supernova-Überreste sind.
Kleine rot erscheinende Flecken kennzeichnen Regionen, in denen molekularer Wasserstoff durch die Strahlung eines nahegelegenen jungen Sterns beleuchtet wird.

„Dieses Bild zeigt die Macht von Webb“, sagte Rebecca Levy, Zweitautorin der Studie an der University of Arizona, Tucson.
„Jeder einzelne weiße Punkt in diesem Bild ist entweder ein Stern oder ein Sternhaufen. Wir können beginnen, all diese winzigen Punktquellen zu unterscheiden,
was uns eine genaue Zählung aller Sternhaufen in dieser Galaxie ermöglicht.“


Struktur in lebhaften Bedingungen finden

Wenn man M82 im etwas längeren Infrarotwellenlängenbereich betrachtet, kann man klumpige, rot dargestellte Ranken erkennen,
die sich über und unter der Ebene der Galaxie erstrecken. Diese gasförmigen Streamer sind ein galaktischer Wind, der aus dem Kern des Starbursts strömt.

Ein Schwerpunkt dieses Forschungsteams lag auf dem Verständnis, wie dieser galaktische Wind, der durch die schnelle Sternentstehungsrate und nachfolgende
Supernovae verursacht wird, entsteht und seine Umgebung beeinflusst.
Durch die Auflösung eines zentralen Abschnitts von M82 könnten Wissenschaftler untersuchen, wo der Wind seinen Ursprung hat,
und Erkenntnisse darüber gewinnen, wie heiße und kalte Komponenten im Wind interagieren.

Webbs NIRCam-Instrument war gut geeignet, die Struktur des galaktischen Windes anhand der Emission rußiger chemischer Moleküle,
bekannt als polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), zu verfolgen.
PAKs können als sehr kleine Staubkörner betrachtet werden, die bei kühleren Temperaturen überleben, bei heißen Bedingungen jedoch zerstört werden.

Zur großen Überraschung des Teams verdeutlicht Webbs Blick auf die PAH-Emission die Feinstruktur des galaktischen Windes, ein bisher unbekannter Aspekt.
Die als rote Filamente dargestellte Emission erstreckt sich von der zentralen Region weg, in der sich das Herz der Sternentstehung befindet.
Ein weiterer unerwarteter Befund war die ähnliche Struktur zwischen der PAH-Emission und der von heißem, ionisiertem Gas.

„Es war unerwartet zu sehen, dass die PAH-Emission ionisiertem Gas ähnelt“, sagte Bolatto.
„PAKs sollten nicht sehr lange leben, wenn sie einem so starken Strahlungsfeld ausgesetzt werden, daher werden sie möglicherweise ständig nachgefüllt.
Es stellt unsere Theorien in Frage und zeigt uns, dass weitere Untersuchungen erforderlich sind.“


Video: Rundgang durch das M82-Bild


Credit: NASA's Goddard Space Flight Center


Einen Weg nach vorne ebnen

Webbs Beobachtungen von M82 im nahen Infrarotlicht werfen weitere Fragen zur Sternentstehung auf, von denen das Team hofft,
einige davon mit zusätzlichen, mit Webb gesammelten Daten beantworten zu können, darunter die einer anderen Starburst-Galaxie.
Zwei weitere Arbeiten dieses Teams, die die Sternhaufen und Korrelationen zwischen den Windkomponenten von M82 charakterisieren, sind fast fertiggestellt.

In naher Zukunft wird das Team spektroskopische Beobachtungen durchführen

von M82 von Webb bereit für ihre Analyse, sowie ergänzende großformatige Bilder der Galaxie und des Windes.
Spektraldaten werden Astronomen helfen, das genaue Alter der Sternhaufen zu bestimmen und ein Gefühl dafür zu vermitteln,
wie lange jede Phase der Sternentstehung in einer Starburst-Galaxienumgebung dauert.
Auf breiterer Ebene kann die Untersuchung der Aktivität in Galaxien wie M82 das Verständnis der Astronomen über das frühe Universum vertiefen.

„Webbs Beobachtung von M82, einem Ziel näher bei uns, ist eine Erinnerung daran, dass das Teleskop hervorragend darin ist,
Galaxien in allen Entfernungen zu untersuchen“, sagte Bolatto.
„Zusätzlich zur Beobachtung junger Galaxien mit hoher Rotverschiebung können wir auch näher an der Heimat gelegene Ziele betrachten,
um Einblicke in die Prozesse zu gewinnen, die hier ablaufen – Ereignisse, die auch im frühen Universum stattfanden.“