Webb-Teleskop entdeckt seltene Stäube in primitiver Galaxie und prägt unser Verständnis des frühen Universums neu

Einleitung

Astronomen, die das leistungsstarke Auge des James Webb Space Telescope der NASA einsetzen, haben eine bemerkenswerte Entdeckung in der Zwerggalaxie Sextans A gemacht, einem Himmelsnachbarn der Milchstraße, der einige der primitivsten Eigenschaften des Universums bewahrt hat. Das Teleskop hat zwei ungewöhnliche Staubarten entdeckt: metallischen Eisenstaub und Siliziumkarbid, beides Produkte alternder Sterne. Diese Entdeckung, zusammen mit dem Vorhandensein winziger kohlenstoffbasierter Moleküle, deutet darauf hin, dass selbst in den frühen Phasen des Universums, als schwerere Elemente knapp waren, Sterne und das umgebende interstellare Medium in der Lage waren, feste Staubkörner zu schmieden. Diese Beobachtungen verändern grundlegend unser Verständnis davon, wie frühe Galaxien entstanden und die wesentlichen Komponenten für die Planetenbildung entwickelten, und tragen zu NASAs fortlaufender Erforschung der Geheimnisse des Universums bei.

Sextans A, etwa 4 Millionen Lichtjahre entfernt, zeichnet sich durch seine extrem niedrige "Metallizität" aus, dem astrophysikalischen Begriff für Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. Sie enthält nur etwa 3 bis 7 Prozent des Gehalts an schweren Elementen, der in unserer Sonne zu finden ist. Aufgrund ihrer geringen Größe und der damit verbundenen schwachen Anziehungskraft kann Sextans A die schwereren Elemente, die bei Ereignissen wie Supernovae und im Lebenszyklus von Sternen entstehen, nicht so leicht zurückhalten wie viele andere nahegelegene Galaxien. Dies macht sie zu einem einzigartigen natürlichen Labor, das den Galaxien, die das Universum kurz nach dem Urknall bevölkerten, sehr ähnlich ist, einer Zeit, in der der Kosmos überwiegend aus Wasserstoff und Helium bestand, bevor die Sterne die Möglichkeit hatten, den Weltraum mit diesen "Metallen" anzureichern. Ihre relative Nähe bietet Astronomen eine seltene Gelegenheit, einzelne Sterne und interstellare Wolken unter Bedingungen zu untersuchen, die denen des frühen Universums ähneln.

Sternenstaubfabriken bei niedriger Metallizität

Eine der Studien, die im Astrophysical Journal detailliert beschrieben wird, konzentrierte sich auf eine ausgewählte Gruppe von Sternen in Sextans A unter Verwendung des Low-Resolution-Spektrometers des Mid-Infrared Instrument (MIRI) von Webb. Die gesammelten Daten lieferten chemische Signaturen dieser Sterne in ihrer fortgeschrittenen Evolutionsphase, bekannt als Asymptotische Riesenast-Sterne (AGB-Sterne). Dies sind Sterne mit Massen zwischen eins und acht Sonnenmassen, die diese spezifische Phase ihres Lebens durchlaufen.

Martha Boyer, Associate Astronomin am Space Telescope Science Institute und Hauptautorin dieser Studie, erklärte die überraschenden Ergebnisse. "Einer dieser Sterne gehört zum oberen Ende der Massenskala des AGB-Bereichs, und Sterne wie dieser produzieren normalerweise Silikatstaub", sagte sie. "Bei solch niedriger Metallizität erwarten wir jedoch, dass diese Sterne fast staubfrei sind. Stattdessen entdeckte Webb einen Stern, der Staubkörner schmiedet, die fast vollständig aus Eisen bestehen. Das ist etwas, das wir bei Sternen, die Analoga von Sternen im frühen Universum sind, noch nie gesehen haben."

Normalerweise erzeugen sauerstoffreiche Sterne Silikatstaub, ein Prozess, der Elemente wie Silizium und Magnesium erfordert. In Sextans A sind diese Elemente praktisch nicht vorhanden, vergleichbar mit dem Versuch, ohne wesentliche Zutaten wie Mehl, Zucker und Butter zu backen. Eine normale kosmische Umgebung wie die Milchstraße ist reich an diesen notwendigen Komponenten – Silizium, Kohlenstoff und Eisen. In einer primitiven Umgebung wie Sextans A, mit einem gravierenden Mangel an diesen Zutaten, wurde erwartet, dass Sterne kaum Staub "backen" könnten. Das Webb-Teleskop entdeckte jedoch nicht nur Staub, sondern zeigte auch, dass ein Stern eine völlig andere Methode für seine Entstehung nutzte. Die Entdeckung von reinem Eisenstaub sowie von Siliziumkarbid, das von weniger massereichen AGB-Sternen trotz des geringen Siliziumgehalts der Galaxie produziert wird, zeigt, dass entwickelte Sterne auch dann feste Materie aufbauen können, wenn die typischen Zutaten fehlen. Boyer fügte hinzu: "Staub im frühen Universum könnte ganz anders ausgesehen haben als die Silikatkörner, die wir heute sehen. Diese Eisenkörner absorbieren Licht effizient, hinterlassen aber keine scharfen Spektralspuren und können zu den großen Staubreservoirs beitragen, die in weit entfernten Galaxien beobachtet werden, die von Webb entdeckt wurden."

Kohlenstoffmoleküle in spärlichen Umgebungen

In einer ergänzenden Studie, die derzeit einem Peer-Review unterzogen wird, bildete Webb das interstellare Medium von Sextans A ab und identifizierte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). Dies sind komplexe kohlenstoffbasierte Moleküle und die kleinsten Staubkörner, die im Infrarotlicht leuchten. Diese Entdeckung macht Sextans A zur Galaxie mit der niedrigsten bisher festgestellten Metallizität, die PAKs enthält.

Die Art und Weise, wie diese PAKs in Sextans A erscheinen, unterscheidet sich jedoch erheblich von ihrem Auftreten in metallreichen Galaxien, wo ihre Emission weit verbreitet ist. Die Beobachtungen von Webb zeigten PAKs konzentriert in kleinen, dichten Taschen, die nur wenige Lichtjahre im Durchmesser messen. Elizabeth Tarantino, Postdoktorandin am Space Telescope Science Institute und Hauptautorin dieser Studie, bemerkte: "Webb zeigt, dass PAKs auch in den metallärmsten Galaxien entstehen und überleben können, aber nur in kleinen, geschützten Inseln aus dichtem Gas." Diese Klumpen repräsentieren wahrscheinlich Regionen, in denen Staubabschirmung und Gasdichte gerade hoch genug sind, um die Bildung und das Wachstum von PAKs zu ermöglichen, und lösen damit ein jahrzehntelanges Rätsel über das scheinbare Verschwinden von PAKs in metallarmen Galaxien. Das Forschungsteam hat ein genehmigtes Webb-Zyklus-4-Programm erhalten, um hochauflösende Spektroskopie durchzuführen und die detaillierte Chemie innerhalb dieser PAK-Klumpen in Sextans A weiter zu untersuchen.

Schlussfolgerung

Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass das frühe Universum eine größere Vielfalt an Staubproduktionsmechanismen aufwies als bisher angenommen, über etablierte Methoden wie Supernova-Explosionen hinaus. Darüber hinaus wissen Forscher nun, dass Staub in Umgebungen mit extrem niedriger Metallizität häufiger vorkommt als vorhergesagt. "Jede Entdeckung in Sextans A erinnert uns daran, dass das frühe Universum erfinderischer war, als wir uns vorgestellt haben", sagte Boyer. "Offensichtlich fanden Sterne einen Weg, die Bausteine von Planeten zu erschaffen, lange bevor Galaxien wie unsere eigene existierten." Das James Webb Space Telescope, ein weltweit führendes Weltraumobservatorium, enthüllt weiterhin Geheimnisse unseres Sonnensystems, erforscht ferne Welten und untersucht die Ursachen des Universums und unseren Platz darin. Webb ist eine internationale Zusammenarbeit unter der Leitung der NASA mit ihren Partnern, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der Canadian Space Agency (CSA).

Original source: "https://science.nasa.gov/missions/webb/nasa-webb-finds-early-universe-analogs-unexpected-talent-for-making-dust"