Jun 27, 2023
Galaxien sind nicht nur Sterne. Es sind komplizierte Netzwerke aus Gas und Staub
Astronomen untersuchen seit Jahrzehnten den Prozess der Sternentstehung. Da wir über immer leistungsfähigere Teleskope verfügen, werden die komplizierten Details eines der faszinierendsten Prozesse der Natur klarer. Der
Astronomen untersuchen seit Jahrzehnten den Prozess der Sternentstehung. Da wir über immer leistungsfähigere Teleskope verfügen, werden die komplizierten Details eines der faszinierendsten Prozesse der Natur klarer. Die frühesten Stadien der Sternentstehung finden innerhalb eines dichten Schleiers aus Gas und Staub statt, der unsere Beobachtungen behindert.
Aber das James-Webb-Weltraumteleskop sieht in seinen Bildern nahegelegener Galaxien durch den Schleier.
Die PHANGS-Kollaboration (Physics at High Angular Resolution in Nearby Galaxies) ist eine groß angelegte Untersuchung nahegelegener Spiralgalaxien. Sein Ziel ist es, „… das Zusammenspiel der kleinräumigen Physik der Gas- und Sternentstehung mit der galaktischen Struktur und Galaxienentwicklung zu verstehen“, heißt es auf der PHANGS-Website.
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Teleskope wie das Hubble-Weltraumteleskop und ALMA haben zu PHANGS beigetragen und einzelne Gaswolken und Sternentstehungskomplexe in Galaxien aufgelöst, die die Wiege der Sternentstehung und die Motoren der galaktischen Evolution sind. Da das JWST nun einsatzbereit ist, nimmt es auch an PHANGS teil.
In diesen PHANGS-Bildern zeigt das James Webb-Weltraumteleskop erneut seine beeindruckende Leistungsfähigkeit. Die hohe Auflösung und die Infrarotfähigkeiten des Webb offenbaren neue Details in den fernen Spiralgalaxien, einschließlich komplizierter Netzwerke aus gasförmigen und staubigen Strukturen. Seine Beobachtungen führten zu nicht weniger als 21 neuen Arbeiten. Dies geschah, nachdem das Teleskop nur 5 seiner insgesamt 19 Ziele abgebildet hatte:
Die Bilder zeigen Galaxien, deren Spiralarme vor überlappenden Filamenten aus Gas, Staub und Blasen, die von neu entstandenen Sternen geformt wurden, fast schäumen.
Das Hauptbild zeigt NGC 1433, eine Balkenspiralgalaxie mit einer Doppelringstruktur in etwa 46 Millionen Lichtjahren Entfernung. In seiner zentralen Region findet eine intensive Sternentstehungsaktivität statt. Auch in seinen Spiralarmen wimmelt es von jungen Sternen, und das JWST bringt alles in prachtvollen Details zur Geltung. NGC 1433 weist in seinem Kern ein interessantes Doppelringmerkmal auf, bei dem sich enge Spiralarme umeinander und den Stab winden.
Die Infrarotbeobachtungsfähigkeiten des JWST bringen etwas Neues auf den Tisch. Wenn sehr junge Sterne geboren werden, ist das Geschehen hinter einem Schleier aus Gas und Staub verborgen. Erst wenn der Stern eine Weile leuchtet, bläst er mit seinem Sternwind den Schleier weg und Astronomen können den jungen Stern sehen. Aber das JWST muss nicht warten. Es kann durch Gas und Staub hindurchschauen und Astronomen Einblicke in Sterne ermöglichen, die viel jünger sind als andere Teleskope.
Der Hubble kann im Gegensatz zum JWST nicht so einfach über den Staub hinaussehen, da der Hubble keine Photonen im mittleren Infrarotbereich sehen kann. Wenn winzige Staubkörner in Galaxien wie NGC 1433 UV- und optische Photonen junger Sterne absorbieren, werden die Staubkörner in einem Prozess, der als stochastische Erwärmung bezeichnet wird, so weit erhitzt, dass sie Fotos im mittleren Infrarot erzeugen. Die James Webb zeichnet sich dadurch aus, dass sie das mittlere Infrarot sieht, und die gesamte Struktur der Galaxie ist dadurch auf JWST-Bildern klarer.
Das Webb-Bild stellt eine dramatische Verbesserung gegenüber früheren Bildern dar, und während die visuellen Details das sind, was die meisten normalen Augäpfel in ihren Bann zieht, bietet das WEBB den Astronomen auch eine dramatische Verbesserung der wissenschaftlichen Details.
Die nächste Galaxie auf der Liste ist M 74, eine etwa 32 Millionen Lichtjahre entfernte Spiralgalaxie, die auch als Phantomgalaxie bekannt ist. Aufgrund ihrer zwei klar definierten Spiralarme ist sie ein Beispiel für den Typ der Spiralgalaxie mit großartigem Design. Während die Arme anderer Spiralgalaxien schlammig und schlecht definiert erscheinen können, treten die Arme von M 74 als scharfes Relief hervor.
Das JWST kann MIR-Photonen (mittleres Infrarot) nicht nur besser erkennen als andere Teleskope wie das Hubble, sondern verfügt auch über eine höhere Winkelauflösung, was bedeutet, dass kleine Details deutlicher sichtbar sind. Die verbesserte Auflösung des Weltraumteleskops zeigt, wie kompliziert die Struktur von M 74 ist, mit hauchdünnen Filamenten aus Gas und Staub, die sich vom Zentrum nach außen zu den großen Spiralarmen der Galaxie winden.
M 74 ist von unserem Standpunkt aus frontal zu sehen, was es zu einem wertvollen Ziel für Astronomen macht. Eines der charakteristischen Merkmale von M 74 ist sein Zentrum oder das, was Astronomen als Kernregion bezeichnen. In der Kernregion von M 74 fehlt das in anderen Spiralgalaxien übliche Gas, sodass Astronomen einen klaren Blick auf den nuklearen Sternhaufen der Galaxie haben.
Die nächste Galaxie ist NGC 7496, eine Balkenspiralgalaxie in etwa 24 Millionen Lichtjahren Entfernung. Das bemerkenswerteste Merkmal der Galaxie ist ihr aktiver galaktischer Kern (AGN). Das supermassive Schwarze Loch im Zentrum sammelt aktiv Material an und erhitzt es in einer wirbelnden Scheibe um das Schwarze Loch. Dadurch wird das AGN sichtbar, da das erhitzte Material Photonen emittiert.
Das JWST ist so leistungsstark, dass es PAKs (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) nachweisen kann, die eine entscheidende Rolle bei der Sternentstehung und der Planetenentstehung spielen. Dabei handelt es sich um organische Verbindungen, die sich in den Gas- und Staubwolken bilden, aus denen Sterne entstehen. Indem es sie aufspürt, ermöglicht das JWST den Astronomen, die Grenzen und Details von Gaswolken zu verfolgen, die schließlich kollabieren und Sterne bilden.
Einige Forscher betrachten die Einführung des JWST als den ersten Schritt einer PAH-Revolution. Die Emissionen von PAKs enthalten viele Informationen über die sie umgebenden physikalischen und chemischen Bedingungen, einschließlich der Sternentstehung. Andere Teleskope können PAH-Regionen erkennen, jedoch nicht im gleichen Detail. „Die unglaubliche räumliche Auflösung und Empfindlichkeit von JWST wird diese Regionen entwirren und uns beispiellose Einblicke in die PAH-Eigenschaften auf kleinen räumlichen Skalen ermöglichen“, so die Western University.
Das JWST entdeckte außerdem 59 neue eingebettete Sternhaufen in NGC 7496. Diese Entdeckungen sind, wie auch andere Entdeckungen in PHANG, auf die Fähigkeit des JWST zurückzuführen, im MIR besser zu sehen als andere Teleskope. Eingebettete Sternhaufen enthalten Sterne, die so jung sind, dass sie die undurchsichtigen Gas- und Staubwolken noch nicht weggeblasen haben. Ihre Vorläufer-Molekülwolken umgeben noch immer die Sterne, und die aktive Sternentstehung, die innerhalb der Wolken stattfindet, bleibt Teleskopen wie dem Hubble verborgen. Aber das JWST nimmt diese Hürde problemlos.
Eine der neuen Veröffentlichungen, die auf JWST und PHANGS basieren, ist „PHANGS–JWST First Results: Dust-embedded Star Clusters in NGC 7496 Selected via 3.3 ?m PAH Emission“. Wie der Titel deutlich macht, ist die Fähigkeit des JWST, PAK-Emissionen zu erkennen, ein entscheidender Faktor. „Die frühesten Stadien der Sternentstehung finden in Staub gehüllt statt und sind im optischen Bereich nicht beobachtbar. Hier nutzen wir die außergewöhnliche neue hochauflösende Infrarotbildgebung von JWST, um mit der Untersuchung staubeingebetteter Sternhaufen in nahegelegenen Galaxien im gesamten lokalen Volumen zu beginnen“, schreiben die Autoren dieser Arbeit.
Die nächste Galaxie ist IC 5332, eine mittlere Spiralgalaxie in etwa 30 Millionen Lichtjahren Entfernung. Wie M 74 ist auch IC 5332 aus unserer Sicht frontal. Es hat eine kleine zentrale Ausbuchtung und offene Arme. Sie weist nicht so viel Sternentstehungsaktivität auf wie einige der anderen PHANGS-Galaxien.
Das JWST-Bild zeigt, dass die symmetrischen Spiralarme von IC 5332 in Wirklichkeit komplexe Gasnetze sind, die Infrarotlicht bei unterschiedlichen Temperaturen aussenden. Für dieses spektakuläre Bild ist, wie auch für die anderen, das MIRI (Mid-Infrared Instrument) von Webb verantwortlich.
Dieses Video zeigt den Unterschied zwischen Hubbles Sicht auf IC 5332 und der Sicht des JWST. Das Hubble-Bild ist verschwommen und weniger detailliert, aber immer noch schön und nützlich.
NGC 1365 ist eine weitere Balkenspiralgalaxie, die etwa 56 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Es besteht aus zwei Balken, wobei der kleinere der beiden den galaktischen Kern bildet. Der innere Stab dreht sich wahrscheinlich schneller als der äußere Stab, wodurch die diagonale Form entsteht. Ihr Paar markanter Arme ist länger als bei anderen Spiralgalaxien.
Jüngste Beobachtungen zeigen, dass die Milchstraße ebenfalls eine Balkenspirale ist. Wenn Astronomen also NGC 1365 untersuchen, wirft dies auch Licht auf die Milchstraße. Astronomen glauben, dass die Balken in diesen Galaxien fast wie ein Trichter wirken, der Gas in das galaktische Zentrum leitet und so die Sternentstehung und das Wachstum des zentralen Schwarzen Lochs auslöst.
NGC 1365 wird als Starburst-Galaxie bezeichnet, weil in ihr eine außerordentlich starke Sternentstehung stattfindet. Dies geschieht im Starburst-Ring, einer Region im Zentrum der Galaxie. Die Starburst-Phase ist nur eine Phase in der Entwicklung einer Galaxie und verbraucht so viel Gas, dass sie relativ schnell vorbei ist. Die komplexe Doppelstabstruktur von NGC 1365 trägt dazu bei, Gas in den Starburst-Ring zu leiten und so einen Strudel der Sternentstehung auszulösen.
NGC 1365 beherbergt „… einen der stärksten nuklearen Starbursts und reichsten Populationen von YMCs (Young Massive Clusters) innerhalb von 20 Mpc“, heißt es in einem neuen Artikel, der die Sternrückkopplung in der Galaxie untersucht. Diese Sternhaufen sind für viele Sternentstehungsprozesse verantwortlich und liegen in dicken Wolken aus molekularem Wasserstoff verborgen, die sie vor anderen Teleskopen verbergen. Aber auch hier ist das JWST aufgrund seines MIRI in der Lage, sie klarer zu sehen.
Das JWST entdeckte neue Cluster sowohl in der Zentralregion als auch in den Armen der Galaxie. Es gibt auch Aufschluss über die stellare Rückkopplung im Starburst-Ring, wo Gas einströmt und neue Sterne bildet, die dann rückkoppeln und den Gasfluss beeinflussen. Diese Rückkopplung zwischen Sternen und dem interstellaren Medium (ISM) ist ein entscheidendes Thema in der Galaxienentwicklung.
„Wir stellen fest, dass das Gas, das von Nordosten nach Südwesten in den Starburst-Ring strömt, stark von der Sternrückkopplung beeinflusst zu sein scheint und in den stromabwärts gelegenen Regionen eine verringerte Anregung und erhöhte Dissoziationssignaturen zeigt“, schreiben die Autoren der Arbeit. Bei der Dissoziation spaltet UV-Licht Moleküle in ihre Atombestandteile. „Unsere Ergebnisse stimmen mit einem Szenario überein, in dem Gas in die beiden Armregionen entlang der Stange strömt, kondensiert/schockiert wird, YMCs bildet und diese YMCs dann das Gas erhitzen und dissoziieren.“
Schon dieser kurze Auszug aus neuen Forschungsergebnissen gibt einen Hinweis darauf, wie komplex Galaxien und Sternentstehung sind. Als sich das JWST in der Entwurfsphase befand, identifizierten die Wissenschaftler, welche Fragen bessere Antworten brauchten und welche Instrumente und Fähigkeiten diese Antworten generieren könnten. Zu diesen Fragen gehören die Sternentstehung in Galaxien und wie Galaxien wachsen und sich entwickeln.
Ein Jahr nach Beginn seiner Mission sehen wir, wie effektiv das JWST darin ist, tiefergehende Antworten auf unsere Fragen zu finden. Unterwegs erhalten wir diese wunderschönen Bilder.
Mittelwelliges Infrarot (MIR)3 – 8 Mikrometer