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Dec 01, 2023

Galaxien im JWST-Spiegel sind näher als sie erscheinen

Jüngste Ankündigungen des James Webb Space Telescope (JWST)-Teams haben gezeigt, dass Galaxien im sehr frühen Universum weitaus fortgeschrittener, reifer und entwickelter sind, als sie sein sollten. Aber das könnte sein

Jüngste Ankündigungen des James Webb Space Telescope (JWST)-Teams haben gezeigt, dass Galaxien im sehr frühen Universum weitaus fortgeschrittener, reifer und entwickelter sind, als sie sein sollten. Aber das könnte daran liegen, dass wir die Entfernungen dieser Galaxien systematisch überschätzt haben, wie neue Forschungsergebnisse zeigen.

Entfernungen im Weltraum zu messen ist eine knifflige Angelegenheit. Es ist nicht immer leicht zu erkennen, ob eine helle und/oder große Galaxie relativ nahe ist oder ob sie physisch groß und hell ist. Im Laufe der Jahrzehnte haben Astronomen eine Vielzahl von Techniken entwickelt, um dieses Problem zu umgehen. Die meisten dieser Techniken liefern zuverlässige Ergebnisse mit höchster Präzision im relativ lokalen Universum. Für sehr weit entfernte Galaxien, wie sie das JWST anstrebt, sind wir gezwungen, viel ungenauere Methoden anzuwenden.

Anstatt Entfernungen zu extrem weit entfernten Galaxien direkt zu messen, versuchen Astronomen, deren Rotverschiebungen zu bestimmen. Eine Rotverschiebung stellt die Veränderung im Lichtspektrum einer Galaxie dar, die sich aufgrund ihrer Entfernung von uns aufgrund der Expansion des Universums ergibt. Während es möglich ist, eine Rotverschiebung in eine Entfernung umzurechnen, müssen Astronomen dazu ein kosmologisches Modell annehmen. Mit anderen Worten: Gehen Sie von einer bestimmten Menge dunkler Energie, dunkler Materie oder anderen Parametern aus, die die Expansionsrate des Universums beeinflussen.

Daher melden Astronomen normalerweise nur die Rotverschiebung und machen weiter. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Rotverschiebung, desto weiter ist eine Galaxie von uns entfernt, was uns ohnehin wirklich am Herzen liegt.

Das JWST konnte Galaxien mit Rotverschiebungen von 9 bis 14 entdecken, die zu den am weitesten entfernten Galaxien gehören, die jemals gefunden wurden und sehr weit entfernt im jungen Kosmos schweben.

Egal wie man es zählt, diese Galaxien gehören zu den ersten, die jemals auf der kosmischen Bühne erschienen. Daher ist es rätselhaft, dass einige ihrer Strukturen für ihr junges Alter überraschend ausgereift zu sein scheinen. Einige der extrem weit entfernten Galaxien sind groß, enthalten viele Sterne und viele schwere Elemente, für deren Entstehung mehrere Generationen von Sternen erforderlich sind.

Diese überraschenden Ergebnisse basierten jedoch auf einer bestimmten Methode zur Messung der Rotverschiebung – einer Methode, die nicht besonders genau ist. Die als photometrische Rotverschiebungsmessung bekannte Methode nimmt das Licht einer Galaxie und sortiert es in Klassen. Anschließend vergleichen Astronomen das Licht in diesen Behältern mit dem gleichen Licht von nahegelegenen Galaxien, um eine grobe Schätzung der Rotverschiebung zu erhalten.

Obwohl diese Methode eher unsicher ist, hat sie den Vorteil, dass sie schnell und einfach durchzuführen ist, sodass Astronomen problemlos eine große Stichprobe von Rotverschiebungsmessungen sammeln können, ohne viel zusätzliche Arbeit leisten zu müssen.

In einem Folgepapier, das zur Veröffentlichung eingereicht wurde und im Preprint arXiv erschien, verglichen zwei Astronomen zwei Dutzend photometrische Rotverschiebungen mit den Rotverschiebungen, die durch eine genauere Methode erhalten wurden: Spektroskopie. Bei der spektroskopischen Rotverschiebung wird zunächst das detaillierte Spektrum einer Galaxie erfasst und anschließend zur Messung der Rotverschiebung verwendet. Der Prozess ist zwar länger und komplizierter, liefert aber unglaublich genaue Rotverschiebungsmessungen.

Die Forscher fanden heraus, dass in ihrer Probe fast alle photometrischen Rotverschiebungen höher waren als die spektroskopischen. Mit anderen Worten: Die grobe Schätzung ergab eine Rotverschiebung, die fast immer höher war als die tatsächliche Rotverschiebung. Bei einigen Galaxien war der Unterschied gering, bei anderen jedoch enorm. In einem Fall ergab die photometrische Schätzung der Rotverschiebung 11,5, während die tatsächliche Rotverschiebung weniger als 9 betrug. Das ist ein Unterschied von Milliarden Lichtjahren.

Insgesamt stellten die Forscher fest, dass die photometrischen Rotverschiebungen um etwa eine Standardabweichung abgeschwächt werden mussten. Das heißt, wenn die photometrischen Rotverschiebungen zusammen mit ihren Unsicherheiten angegeben wurden, liegt die wahre Rotverschiebung am unteren Ende dieses Unsicherheitsbereichs und nicht in der Mitte, wie wir es bei einer Reihe zufälliger Unsicherheiten erwarten würden.

Dies sei kein neues Phänomen, betonten Forscher. Tatsächlich hat der große Astronom Sir Arthur Eddington 1913 im Zusammenhang mit der Erforschung entfernter Sterne erstmals darauf hingewiesen. Wir gehen davon aus, dass die photometrischen Messungen zwar ungenau, aber zufällig sind; Ungefähr die Hälfte der Galaxien sollte eine zu große Rotverschiebung aufweisen, die andere Hälfte eine zu niedrige.

Aber da das JWST das extrem frühe Universum und die erste Galaxiengeneration erforscht, die auf der kosmischen Bühne erscheint, existieren mehr Galaxien näher bei uns als weiter entfernt. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit größer ist, dass Galaxien eine hohe statt einer niedrigen Verzerrung aufweisen, und daher werden unsere gesamten Stichproben tendenziell verzerrt sein.

Zum jetzigen Zeitpunkt ist unklar, wie diese verfeinerten Rotverschiebungsmessungen unser Verständnis des frühen Universums verändern werden und insbesondere, wie sie sich auf unsere Sicht auf diese jungen, aber reifen Galaxien auswirken werden. Aber dieses Ergebnis zeigt genau, wie Wissenschaft funktionieren soll. Mit der Zeit geht es immer darum, vorsichtig zu sein, immer Gegenkontrollen durchzuführen und immer weiter zu verfeinern.