09. November 2023: JWST und Hubble ergeben zusammen eine farbenprächtige Sicht auf das Universum
Das James Webb-Weltraumteleskop und das Hubble-Weltraumteleskop der NASA haben sich zusammengeschlossen,
um einen ausgedehnten Galaxienhaufen namens MACS0416 zu untersuchen.
Das
resultierende panchromatische Bild kombiniert sichtbares und infrarotes
Licht und ergibt eine der umfassendsten Ansichten des Universums,
die jemals aufgenommen wurden.
MACS0416 liegt etwa 4,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und ist ein Paar kollidierender Galaxienhaufen,
die sich schließlich zu einem noch größeren Haufen verbinden werden.
Bild: NASA
Diese
panchromatische Ansicht des Galaxienhaufens MACS0416 entstand durch die
Kombination von Infrarotbeobachtungen des James Webb-Weltraumteleskops
der NASA mit Daten des sichtbaren Lichts des Hubble-Weltraumteleskops der NASA.
Die resultierende Wellenlängenabdeckung von 0,4 bis 5 Mikrometern zeigt eine lebendige Landschaft von Galaxien,
deren Farben Hinweise auf die Entfernungen der Galaxien geben: Die
blauesten Galaxien sind relativ nahe und weisen häufig eine
intensive Sternentstehung auf,
die am besten von Hubble nachgewiesen werden kann, während die
röteren Galaxien dazu tendieren weiter entfernt sein oder, wie von
Webb festgestellt, reichlich Staub enthalten.
Das Bild offenbart eine Fülle von Details, die nur durch die
Kombination der Leistung beider Weltraumteleskope erfasst werden
können.
In diesem Bild stellt Blau Daten bei Wellenlängen von 0,435 und 0,606 Mikrometern dar (Hubble-Filter F435W und F606W);
Cyan ist 0,814, 0,9 und 1,05 Mikrometer (Hubble-Filter F814W und F105W und Webb-Filter F090W);
Grün ist 1,15, 1,25, 1,4, 1,5 und 1,6 Mikrometer (Hubble-Filter F125W, F140W und F160W und Webb-Filter F115W und F150W);
Gelb ist 2,00 und 2,77 Mikrometer (Webb-Filter F200W und F277W);
Orange ist 3,56 Mikrometer (Webb-Filter F356W);
und Rot stellt Daten bei 4,1 und 4,44 Mikrometern dar (Webb-Filter F410M und F444W).
Das Bild
offenbart eine Fülle von Details, die nur durch die Kombination
der Leistung beider Weltraumteleskope erfasst werden können.
Es umfasst eine Vielzahl von Galaxien außerhalb des Clusters und
eine Reihe von Quellen, die sich im Laufe der Zeit ändern,
wahrscheinlich aufgrund der Gravitationslinse also der Verzerrung und
Verstärkung des Lichts von entfernten Hintergrundquellen.
Dieser Cluster war der erste einer Reihe beispielloser, supertiefer Ansichten des Universums im Rahmen eines ehrgeizigen,
kollaborativen Hubble-Programms namens Frontier Fields, das 2014 ins Leben gerufen wurde.
Hubble leistete Pionierarbeit bei der Suche nach einigen der an sich lichtschwächsten und jüngsten Galaxien,
die jemals entdeckt wurden.
Webbs Infrarotsicht verstärkt diesen tiefen Blick erheblich, indem
er mit seiner Infrarotsicht sogar noch weiter in das frühe
Universum vordringt.
„Wir bauen auf Hubbles Erbe auf, indem wir zu größeren
Entfernungen und schwächeren Objekten vordringen“,
sagte Rogier Windhorst von der Arizona State University, Hauptforscher des PEARLS-Programms
(Prime Extragalactic Areas for Reionization and Lensing Science), das die Webb-Beobachtungen durchgeführt hat.
Was die Farben bedeuten:
Um das Bild zu erstellen, wurden im Allgemeinen die kürzesten Wellenlängen des Lichts blau,
die längsten Wellenlängen rot und die mittleren Wellenlängen grün gefärbt.
Der breite Wellenlängenbereich von 0,4 bis 5 Mikrometer sorgt für eine besonders lebendige Galaxienlandschaft.
Diese Farben geben Hinweise auf die Entfernungen der Galaxien:
Die blausten Galaxien sind relativ nahe und weisen oft eine intensive Sternentstehung auf, wie Hubble am besten detektiert,
während die röteren Galaxien tendenziell weiter entfernt sind, wie Webb detektiert.
Einige Galaxien erscheinen auch sehr rot, weil sie reichlich kosmischen Staub enthalten,
der dazu neigt, blauere Farben des Sternenlichts zu absorbieren.
„Das Gesamtbild wird erst klar, wenn man Webb-Daten mit Hubble-Daten kombiniert“, sagte Windhorst.
Bilder Seite an Seite: Hubble JWST:
Bild: NASA
Dieser
direkte Vergleich des Galaxienhaufens MACS0416 aus der Sicht des
Hubble-Weltraumteleskops im optischen Licht (links) und des
James Webb-Weltraumteleskops im Infrarotlicht (rechts) zeigt unterschiedliche Details.
Beide Bilder zeigen Hunderte von Galaxien, das Webb-Bild zeigt jedoch
Galaxien, die im Hubble-Bild unsichtbar oder kaum sichtbar sind.
Dies liegt daran, dass Webbs Infrarotsicht Galaxien erkennen kann, die
zu weit entfernt oder zu staubig sind, als dass Hubble sie sehen
könnte.
(Licht von entfernten Galaxien ist aufgrund der Expansion des Universums rotverschoben.)
Die Gesamtbelichtungszeit für Webb betrug etwa 22 Stunden,
verglichen mit 122 Stunden Belichtungszeit für das Hubble-Bild.
Weihnachtsbaum Galaxienhaufen:
Während
die neuen Webb-Beobachtungen zu dieser ästhetischen Sichtweise
beitragen, wurden sie einem bestimmten wissenschaftlichen Zweck
zugrunde gelegt.
Das Forschungsteam kombinierte seine drei Beobachtungsepochen, die jeweils mehrere Wochen auseinander lagen,
mit einer vierten Epoche des CANUCS-Forschungsteams (CAnadian NIRISS Unbiased Cluster Survey).
Ziel war es, nach Objekten zu suchen, deren beobachtete Helligkeit im Laufe der Zeit schwankt, sogenannte Transienten.
Sie identifizierten 14 solcher Transienten im gesamten Sichtfeld.
Zwölf dieser Transienten befanden sich in drei Galaxien, die durch Gravitationslinsen stark vergrößert werden,
und es handelt sich wahrscheinlich um einzelne Sterne oder
Mehrsternsysteme, die kurzzeitig sehr stark vergrößert
werden.
Die verbleibenden zwei Transienten befinden sich in mäßig
vergrößerten Hintergrundgalaxien und sind wahrscheinlich
Supernovae.
„Wir nennen MACS0416 den Weihnachtsbaum-Galaxienhaufen, sowohl
weil er so farbenfroh ist, als auch wegen der flackernden Lichter, die
wir darin finden.
Wir können überall Transienten sehen“, sagte Haojing
Yan von der University of Missouri in Columbia, Hauptautor einer Arbeit,
in der die wissenschaftlichen Ergebnisse beschrieben werden.
Das Finden so vieler Transienten mit Beobachtungen, die sich über einen relativ kurzen Zeitrahmen erstrecken, legt nahe,
dass Astronomen durch regelmäßige Überwachung mit Webb
viele zusätzliche Transienten in diesem Cluster und anderen
ähnlichen Clustern finden könnten.
Ein Kaju-Stern:
Unter den Transienten, die das Team identifizierte, stach einer besonders heraus.
Es befindet sich in einer Galaxie, die etwa 3 Milliarden Jahre nach dem
Urknall existierte, und ist mindestens um den Faktor 4.000
vergrößert.
Das Team nannte das Sternensystem „Mothra“ in Anspielung
auf seine „Monsternatur“, da es sowohl extrem hell als auch
extrem vergrößert ist.
Es schließt sich einem anderen Linsenstern an, den die Forscher
zuvor identifiziert hatten und dem sie den Spitznamen
„Godzilla“ gaben.
(Sowohl Godzilla als auch Mothra sind riesige Monster, die im japanischen Kino als Kaiju bekannt sind.)
Interessanterweise ist Mothra auch in den Hubble-Beobachtungen sichtbar, die neun Jahre zuvor gemacht wurden.
Dies ist ungewöhnlich, da eine ganz bestimmte Ausrichtung zwischen
dem Vordergrundgalaxienhaufen und dem Hintergrundstern erforderlich ist,
um einen Stern so stark zu vergrößern.
Die gegenseitigen Bewegungen des Sterns und des Sternhaufens
hätten diese Ausrichtung schließlich beseitigen sollen. Ein
Kaiju-Stern
Bild: Gravitationslinsengalaxie:
Bild: NASA
Dieses Bild des Galaxienhaufens MACS0416 zeigt eine besondere Hintergrundgalaxie mit Gravitationslinseneffekt,
die etwa drei Milliarden Jahre nach dem Urknall existierte.
Diese Galaxie enthält einen Transienten oder ein Objekt, dessen
beobachtete Helligkeit im Laufe der Zeit variiert und das das
Wissenschaftsteam „Mothra“ nannte.
Mothra ist ein Stern, der mindestens um den Faktor 4.000 vergrößert wird.
Das Team geht davon aus, dass Mothra nicht nur durch die Schwerkraft des Galaxienhaufens MACS0416 vergrößert wird,
sondern auch durch ein Objekt namens „Milli-Linse“, das wahrscheinlich etwa so viel wiegt wie ein Kugelsternhaufen.
Die
wahrscheinlichste Erklärung ist, dass es im Vordergrundcluster ein
zusätzliches Objekt gibt, das für eine stärkere
Vergrößerung sorgt.
Das Team konnte seine Masse auf das 10.000- bis 1-Millionenfache der Masse unserer Sonne beschränken.
Die genaue Natur dieser sogenannten „Milli-Linse“ bleibt jedoch unbekannt.
„Die wahrscheinlichste Erklärung ist ein Kugelsternhaufen,
der zu schwach ist, als dass Webb ihn direkt sehen könnte“,
erklärte Jose Diego vom Instituto de Física de Cantabria in
Spanien, Hauptautor der Studie, in der der Befund detailliert
beschrieben wird.
„Aber wir kennen die wahre Natur dieser zusätzlichen Linse noch nicht.“