Das PEARLS-Projekt des Webb-Teleskops enthüllt exquisite Ansichten entfernter Galaxien

Seit Jahrzehnten liefern uns das Hubble-Weltraumteleskop und bodengestützte Teleskope spektakuläre Bilder von Galaxien. Dies änderte sich alles, als das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) im Dezember 2021 startete und die Inbetriebnahme in der ersten Hälfte des Jahres 2022 erfolgreich abschloss. Für Astronomen offenbart sich das Universum, wie wir es gesehen hatten, nun auf eine neue Art und Weise, die sie sich nie hätten vorstellen können Das Nahinfrarotkamera-Instrument (NIRCam) von Teleskopen.

Die NIRCam ist Webbs primärer Bildgeber, der den Infrarot-Wellenlängenbereich von 0,6 bis 5 Mikrometer abdeckt. NIRCam erkennt Licht der frühesten Sterne und Galaxien im Entstehungsprozess, die Sternpopulation in nahegelegenen Galaxien sowie junge Sterne in der Milchstraße und in Objekten des Kuipergürtels. Ein Himmelsstreifen, der 2 % der vom Vollmond bedeckten Fläche ausmacht, wurde mit Webbs Nahinfrarotkamera (NIRCam) in acht Filtern sowie mit Hubbles Advanced Camera for Surveys (ACS) und Wide-Field Camera 3 (WFC3) aufgenommen drei Filter, die zusammen den Wellenlängenbereich von 0,25 bis 5 Mikrometer abdecken. Dieses Bild stellt einen Teil des gesamten PEARLS-Feldes dar, das etwa viermal größer sein wird. Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA, ESA, CSA, Rolf A. Jansen (ASU), Jake Summers (ASU), Rosalia O'Brien (ASU), Rogier Windhorst (ASU), Aaron Robotham (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Christopher Willmer (University of Arizona) und das JWST PEARLS Team; Bildbearbeitung durch Rolf A. Jansen (ASU) und Alyssa Pagan (STScI) Vollständiges Bild herunterladen

Das Projekt „Prime Extragalactic Areas for Reionization and Lensing Science“ (PEARLS) ist Gegenstand einer kürzlich im Astronomical Journal veröffentlichten Studie eines Forscherteams, darunter Professor Rogier Windhorst, Regent der Arizona State University School of Earth and Space Exploration, und Forschungswissenschaftler Rolf Jansen , Associate Research Scientist Seth Cohen, Research Assistant Jake Summers und Graduate Associate Rosalia O'Brien, zusammen mit dem Beitrag vieler anderer Forscher.

Für Forscher zeigen die Bilder des PEARLS-Programms der frühesten Galaxien das Ausmaß der Gravitationslinsenwirkung von Objekten im Hintergrund massereicher Galaxienhaufen und ermöglichen es dem Team, einige dieser sehr weit entfernten Objekte zu sehen. In einem dieser relativ tiefen Felder (im Bild oben gezeigt) hat das Team mit atemberaubenden mehrfarbigen Bildern gearbeitet, um interagierende Galaxien mit aktiven Kernen zu identifizieren.

Die Daten von Windhorst und seinem Team zeigen Hinweise auf riesige Schwarze Löcher in ihrem Zentrum, wo man die Akkretionsscheibe sehen kann – die Materie, die in das Schwarze Loch fällt und im Zentrum der Galaxie sehr hell leuchtet. Außerdem erscheinen viele galaktische Sterne wie Tropfen auf der Windschutzscheibe Ihres Autos – als würden Sie durch den intergalaktischen Raum fahren. Dieses farbenfrohe Feld liegt direkt oberhalb der Ekliptikebene, der Ebene, in der die Erde, der Mond und alle anderen Planeten um die Sonne kreisen.

„Seit über zwei Jahrzehnten arbeite ich mit einem großen internationalen Team von Wissenschaftlern an der Vorbereitung unseres Webb-Wissenschaftsprogramms“, sagte Windhorst. „Webbs Bilder sind wirklich phänomenal und übertreffen wirklich meine kühnsten Träume. Sie ermöglichen es uns, die Anzahldichte von Galaxien zu messen, die bis zu sehr schwachen Infrarotgrenzen leuchten, und die Gesamtmenge an Licht, die sie erzeugen. Dieses Licht ist viel schwächer als der gemessene sehr dunkle Infrarothimmel.“ zwischen diesen Galaxien.

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Das erste, was das Team auf diesen neuen Bildern sehen kann, ist, dass viele Galaxien, die sich neben Hubble befanden oder für Hubble wirklich unsichtbar waren, auf den von Webb aufgenommenen Bildern hell sind. Diese Galaxien sind so weit entfernt, dass das von Sternen emittierte Licht gestreckt wurde.

Das Team konzentrierte sich mit dem Webb-Teleskop auf das Zeitbereichsfeld des Nordekliptikpols, das aufgrund seiner Position am Himmel leicht zu erkennen ist. Windhorst und das Team planen, es viermal zu beobachten.

Die ersten Beobachtungen, bestehend aus zwei überlappenden Kacheln, ergaben ein Bild, das Objekte zeigt, die so schwach sind wie die Helligkeit von 10 Glühwürmchen in der Entfernung des Mondes (wobei der Mond nicht da ist). Das ultimative Limit für Webb sind ein oder zwei Glühwürmchen. Die schwächsten, rötlichsten Objekte, die auf dem Bild sichtbar sind, sind entfernte Galaxien, die auf die ersten paar hundert Millionen Jahre nach dem Urknall zurückgehen.

Foto mit freundlicher Genehmigung von NASA, ESA, CSA, Rolf A. Jansen (ASU), Jake Summers (ASU), Rosalia O'Brien (ASU), Rogier Windhorst (ASU), Aaron Robotham (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Christopher Willmer (Universität von Arizona); Bildbearbeitung von Rolf A. Jansen (ASU) und Alyssa Pagan (STScI)

Die meiste Zeit seiner Karriere hat Jansen mit Kameras am Boden und im Weltraum gearbeitet, wo man ein einziges Instrument mit einer einzigen Kamera hat, die ein Bild erzeugt. Jetzt verfügen Wissenschaftler über ein Instrument, das nicht nur einen Detektor oder ein Bild erzeugt, sondern gleich zehn gleichzeitig. Für jede Aufnahme, die NIRCam macht, werden 10 dieser Bilder erstellt. Das ist eine riesige Datenmenge, und die schiere Menge kann überwältigend sein.

Summers war maßgeblich daran beteiligt, diese Daten zu verarbeiten und durch die Analysesoftware von Mitarbeitern auf der ganzen Welt zu leiten.

„Die JWST-Bilder übertreffen bei weitem das, was wir von meinen Simulationen vor den ersten wissenschaftlichen Beobachtungen erwartet hatten“, sagte Summers. „Bei der Analyse dieser JWST-Bilder war ich von ihrer hervorragenden Auflösung am meisten überrascht.“

Jansens Hauptinteresse besteht darin, herauszufinden, wie Galaxien wie unsere eigene Milchstraße entstanden sind. Und das geht, indem man weit zurückblickt, wie Galaxien zusammenkamen, wie sie sich effektiv entwickelten und so den Weg vom Urknall bis zu Menschen wie uns nachverfolgte.

„Ich war überwältigt von den ersten PEARLS-Bildern“, sagte Jansen. „Als ich dieses Feld in der Nähe des Nordekliptikpols auswählte, wusste ich nicht, dass es eine solche Schatzkammer entfernter Galaxien hervorbringen würde und dass wir direkte Hinweise auf die Prozesse erhalten würden, durch die sich Galaxien zusammensetzen und wachsen – ich kann Ströme sehen.“ , Schweife, Hüllen und Halos von Sternen in ihren Außenbezirken, die Reste ihrer Bausteine.“

O'Brien, Student im dritten Jahr der Astrophysik, entwarf Algorithmen, um schwaches Licht zwischen den Galaxien und Sternen zu messen, die uns zuerst ins Auge fallen.

„Das diffuse Licht, das ich zwischen Sternen und Galaxien gemessen habe, hat kosmologische Bedeutung und kodiert die Geschichte des Universums“, sagte O'Brien. „Ich fühle mich glücklich, meine Karriere jetzt zu beginnen – JWST-Daten sind mit nichts zu vergleichen, was wir je gesehen haben, und ich freue mich über die Chancen und Herausforderungen, die sie bieten.“

„Ich erwarte, dass dieses Feld während der gesamten JWST-Mission überwacht wird, um Objekte aufzudecken, die sich bewegen, in der Helligkeit variieren oder kurzzeitig aufflammen, wie entfernte explodierende Supernovae oder sich ansammelndes Gas um Schwarze Löcher in aktiven Galaxien“, sagte Jansen.

Video von Steve Filmer/ASU Media Relations

Medienbeziehungs- und Marketingmanager, School of Earth and Space Exploration

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