#Lichtschwächste Galaxie des frühen Kosmos

In der Frühzeit des Universums sorgte erst das ultraviolette Licht der ersten Sterne dafür, dass der primordiale Wasserstoff ionisiert wurde und die kosmische Morgendämmerung begann. Jetzt haben Astronomen eine der Galaxien entdeckt, die an dieser Entwicklung einen entscheidenden Anteil hatten. Die junge, kleine und lichtschwache Galaxie JD1 existierte schon 480 Millionen Jahre nach dem Urknall und entspricht in ihrem Typus der damals wahrscheinlich am häufigsten vorkommenden Galaxienform. Sie ist die bisher lichtschwächste in dieser Entfernung entdeckte Galaxie. Aufgespürt wurde sie mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops und dank des Vergrößerungseffekts eines Galaxienhaufens im Vordergrund.

Als sich rund 380.000 Jahre nach dem Urknall Atomkerne und Elektronen zu den ersten Atomen verbanden, wurde das Universum erstmals durchsichtig. Neutraler Wasserstoff erfüllte das All und bildete den Grundstoff für die ersten Sterne. Mit ihnen endete das dunkle Zeitalter des Kosmos und die „kosmische Morgendämmerung“ begann – das Zeitalter der Reionisierung. In dieser Phase ionisierte die intensive Strahlung der Sterne und Galaxien den primordialen Wasserstoff und macht ihn so auch durchsichtig für ultraviolette Strahlung. Doch wann genau die Reionisierung begann und welche Art von Galaxien dafür primär verantwortlich war, ist bisher erst in Teilen geklärt. Astronomen haben bereits einige Galaxien aufgespürt, die schon einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall existierten. Diese waren damals aber sehr selten und erzeugten nicht genügend ionisierende Strahlung, um entscheidende Treiber der kosmischen Reionisierung gewesen zu sein.

Schwaches Licht aus dem fernen Kosmos

„Die meisten bisher entdeckten frühen Galaxien gelten daher nicht als sonderlich repräsentativ für die jungen Sternansammlungen, die das frühe Universum bevölkerten“, erklärt Erst-Autor Guido Roberts-Borsani von der University of California in Los Angeles (UCLA). „Ultra-lichtschwache Galaxien dagegen waren damals weit zahlreicher. Deshalb denken wir, dass sie eher die Galaxien repräsentieren, die damals den Reionisierungsprozess antrieben.“ Allerdings waren diese lichtschwachen Galaxien bisher nur schwer zu beobachten. Zum einen liegen sie sehr weit entfernt, sodass leistungsfähige Teleskope nötig sind, zum anderen sind sie oft von neutralem Gas umgeben, das die am besten nachweisbaren Photonen im Lyman-Alpha-Wellenlängenbereich schluckt. Doch das neue James-Webb-Weltraumteleskop und ein kosmischer Zufall kamen dem Team um Roberts-Borsani zu Hilfe. Der massereiche Galaxienhaufen Abell 2744 schob sich so vor eine weit entfernte frühe Galaxie, dass ihr schwaches Licht um das 13-Fache verstärkt wurde.

Dies ermöglichte es dem Team, die ferne, lichtschwache Galaxie JD1 aufzuspüren und näher zu analysieren. „Bevor das James-Webb-Teleskop seinen Betrieb aufnahm, hätten wir nicht einmal davon träumen können, eine so lichtschwache Galaxie nachzuweisen“, sagt Co-Autor Tommaso Treu von der UCLA. Aufnahmen mit der Nahinfrarot-Kamera NIRCam zeigten, dass es sich bei JD1 um eine eher kleine, aus einem zentralen Sternenklumpen und zwei kleineren Zentren aufgebaute Galaxie handelt. Schon diese Aufnahmen deuteten zudem auf eine starke Rotverschiebung und ein entsprechend hohes Alter dieser Beobachtung hin. Spektralanalysen des Galaxienlichts mithilfe des Nahinfrarot-Spektrografen NIRSpec bestätigten dies: Die JD1-Galaxie hat demnach eine Rotverschiebung von z= 9,79 und existierte demnach schon, als das Universum erst 480 Millionen Jahre alt war. Das Licht ihrer Sterne war 13,3 Milliarden Jahre zu uns unterwegs.

Typischer Vertreter der frühen „Reionisiserungs-Akteure“

Die Galaxie JD1 ist damit die bisher lichtschwächste Galaxie aus dieser frühen Phase der kosmischen Entwicklung, wie die Astronomen berichten. Die spektralen Daten legen zudem nahe, dass diese Galaxie zum Zeitpunkt der Beobachtung erst rund 30 Millionen Jahre alt war und damit noch sehr jung. Auch ihre stellare Masse war noch deutlich geringer als die der meisten heutigen Galaxien und der massereichen, hellen Galaxien, die zuvor aus dem frühen Kosmos bekannt waren. Wie für eine Galaxie am Beginn der Reionisierung zu erwarten, wiesen ihre Sterne zudem erst wenige schwerere Elemente auf – sie sind deutlich metallärmer als die Sonne. „Dies bestätigt, dass diese Galaxie von einem jungen, sternbildenden System dominiert wird, das seine chemische Anreicherung gerade erst begonnen hat“, schreiben Roberts-Borsani und seine Kollegen. Ihrer Ansicht nach entspricht JD1 damit genau dem Typ von Galaxien, die als mögliche Treiber der Reionisierung gelten. „Die Luminosität der Galaxie ähnelt der von den Quellen, die damals den Großteil der UV-Photonen geliefert haben müssen“, so das Team.

„Die Kombination der spektroskopischen Analysen und der Vergrößerung durch die Gravitationslinse liefert uns einen einzigartigen und beispiellosen Einblick in die Physik einer ultra-leuchtschwachen Galaxie aus dem dunklen Zeitalter des Universums“, konstatieren die Astronomen. Für genau solche Einblicke sei das James-Webb-Teleskop gebaut worden.

Quelle: Guido Roberts-Borsani (University of California, Los Angeles) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-023-05994-w

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar