JWST findet unerwartet jungen Kohlenstoff

Mar 05, 2024

Dieses Babypuder aus dem Weltraum ist unerwartet reich an Kohlenstoff.

Von Jon Kelvey | Veröffentlicht am 19. Juli 2023, 11:30 Uhr EDT

Das Universum ist ein staubiger Ort. Kosmische Partikel können von der Größe eines einzelnen großen Moleküls bis hin zu etwas größer als einem Sandkorn auf der Erde reichen und sich in lichtjahregroßen wogenden Wolken ansammeln. Das allgemeine wissenschaftliche Verständnis ging davon aus, dass sich nach und nach Staub ansammelt, der von Sternen und Supernovae im Laufe von Hunderten von Millionen Jahren produziert wird. Staub ist normalerweise ein fester Bestandteil reifer Galaxien, so dachten Astronomen.

Aber in einem neuen Artikel, der am Mittwoch in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, fanden Astronomen nur 800 Millionen Jahre nach dem Urknall eine bestimmte Art von kosmischem Staub mit hohem Kohlenstoffgehalt in jungen fernen Galaxien. Diese Ansammlung erfolgte viel früher, als aktuelle Theorien zur Staubbildung vermuten lassen. Es handelt sich um eine Entdeckung, die die Art und Weise verändern könnte, wie Astronomen die Entstehung von Sternen und die Entwicklung von Galaxien im frühen Universum verstehen und letztendlich auch die Art und Weise, wie dieses junge Universum zu dem Kosmos heranwuchs, den wir heute kennen.

Lange Zeit behandelten Astronomen den kosmischen Stoff so, wie wir einen Staubhasen unter einem Sofa betrachten würden: als Ärgernis. Wissenschaftler versuchten, über große kosmische Staubwolken hinauszuschauen, die eher als Hindernisse denn als eigenständige Studienobjekte betrachtet wurden. „Die Art und Weise, wie die meisten Astronomen damit interagieren, besteht darin, dass [Staub] tatsächlich einen Großteil des Lichts absorbiert, das wir beobachten wollen“, sagt der leitende Studienautor Joris Witstok, ein Postdoktorand am Kavli Institute for Cosmology in Cambridge. im Vereinigten Königreich.

Aber das hat sich in den letzten Jahren geändert, dank Observatorien wie dem James Webb Space Telescope der NASA, das Infrarotlicht nutzt, um durch die Wolken zu sehen. Wissenschaftler haben auch den Staub selbst erkannt und erkannt, dass diese winzigen Partikel aus Kohlenstoff, Silizium und anderer Materie für groß angelegte Prozesse im Universum verantwortlich sind, beispielsweise für die Entstehung neuer Sterne.

„Zum Beispiel gibt es in der Milchstraße solche Orte, an denen sich neue Sterne bilden, und sie sind sehr staubig“, sagt Witstok. „Es gibt große Gas- und Staubwolken und der Staub trägt wirklich dazu bei, dass das Gas abkühlen und sich zusammenziehen kann und so neue Sterne entstehen.“

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Es ist nicht so, dass das frühe Universum staubfrei war. Frühere Studien hätten laut Witstok große Mengen Staub in Galaxien im sehr frühen Universum gefunden. Astronomen sind an diesem frühen Staub interessiert, weil er die Zeit darstellt, in der Sterne begannen, einige der ersten Elemente zu produzieren, die schwerer als Wasserstoff waren.

„Die ersten Sterne, die begannen, Wasserstoff in Helium, das am Anfang das Einzige war, was es überhaupt gab, in schwerere Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff umzuwandeln“, sagt Witstok.

Große Ursterne haben möglicherweise gegen Ende ihres Lebenszyklus oder bei Supernova-Explosionen, als sie starben, große Mengen Staub aus diesen schwereren Elementen ausgestoßen.

Aber frühere Studien konnten zu so frühen Zeiten keinen kohlenstoffhaltigen Staub nachweisen, der also reich an Kohlenstoff ist.

„Die wirklich neue Entdeckung ist, dass wir die Art der Staubkörner, die wir sehen, genau bestimmen können“, sagt Witstok. „Was wir tatsächlich sagen können, ist, dass es etwas gibt, das speziell diese Kohlenstoffstaubkörner in sehr kurzer Zeit produziert. Und hier liegt die Überraschung.“

Spektrografische Beobachtungen von Staub näher an der Erde, innerhalb der Milchstraße, machten diese Entdeckung möglich. Spektroskopie zerlegt Licht in ein Spektrum und sucht nach verräterischen Anzeichen von absorbiertem Licht bei bestimmten Wellenlängen, die mit verschiedenen Elementen und Verbindungen verbunden sind – so als würde man einen einzigartigen Regenbogen lesen.

Kohlenstoffhaltiger Staub erzeugt eine spektroskopische „Beule“ bei einer Wellenlänge von 217,5 Nanometern, einer Wellenlänge, die ihn im ultravioletten Teil des Spektrums platziert. Zumindest ist das die Wellenlänge des Lichts, als es vor Milliarden von Jahren seine Heimatgalaxie verließ.

„Da es sich über etwa 13 Milliarden Jahre bewegt, während sich das Universum ausdehnt, wird das Licht mit dieser Expansion wirklich gedehnt“, sagt Witstok, ein Phänomen, das als Rotverschiebung bekannt ist. Licht, das ursprünglich ultraviolett war, wird länger gedehnt, so dass die Wellenlänge – etwa 1,5 bis 2 Mikrometer – jetzt im Infraroten liegt, dem Teil des Spektrums, den JWST für die Messung fein abgestimmt hat.

„Genau deshalb konnten wir das vorher nicht machen“, sagt Witstok. „Denn mit JWST sind wir nun erstmals in der Lage, diese sehr präzisen Messungen im Infrarotbereich durchzuführen.“

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Nachdem die Forscher nun diesen kohlenstoffhaltigen Staub zu einem früheren Zeitpunkt als erwartet im Universum gemessen haben, müssen sie nur noch herausfinden, durch welchen Prozess er erzeugt werden könnte. Es gibt zwei Theorien, sagt Witstok, obwohl keine davon perfekt ist.

Das erste ist, dass Supernovae in frühen Galaxien den Staub erzeugen, wobei sterbende Sterne die Materie vor ihrem letzten feurigen Todeskampf ausstoßen. Das Problem dabei sei jedoch, sagt er, dass die von den Supernovae freigesetzten heftigen Kräfte auch einen Großteil dieses Staubs zerstören könnten.

Eine weitere Staubquelle könnten Wolf-Rayet-Sterne sein, massereiche, heiße und schnell brennende Sterne, die in weniger als einer Million Jahren einen großen Teil ihrer Masse in den Weltraum schleudern können. „Aber auch hier stellt sich die Frage, wie viel sie tatsächlich produzieren können?“ Sagt Witstok. „Ist es ausreichend, um zu erklären, was wir im frühen Universum sehen?“

Witstok und seine Kollegen hoffen, diese Fragen mit Computersimulationen beantworten zu können. Theoretiker können versuchen, Modelle von Supernovae und Wolf-Rayet-Sternen zu optimieren, um die Bedingungen zu finden, unter denen der in den JWST-Beobachtungen beobachtete kohlenstoffhaltige Staub entsteht.

Und auch weitere Beobachtungen früher Galaxien könnten Antworten liefern, sagt er. „Wir könnten damit beginnen, nach Hinweisen zu suchen, die beispielsweise auf eine ungewöhnliche Anzahl von Wolf-Rayet-Sternen in diesen Galaxien hinweisen könnten.“

Was auch immer die Entstehung von kohlenstoffhaltigem Staub im frühen Universum antreibt, könnte Hinweise darauf geben, wie sich Galaxien im neueren Universum entwickelt haben und wie Sterne und Planeten entstehen. „Staub ist dieser wirklich Schlüsselbestandteil der Galaxienentwicklung“, sagt Witstok. „Dass wir jetzt immer mehr Anzeichen dafür sehen, dass es sich sehr früh bildet, zeigt uns, dass diese Entwicklung möglicherweise schneller vonstatten geht, als wir bisher dachten. Das hat dann auf der ganzen Linie einen Dominoeffekt darauf, wie wir in die Gegenwart gelangen.“