JAMES WEBB
Sternentstehung in einem Netzwerk aus Gas und Staub
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie
astronews.com
17. Februar 2023

Mit dem James Webb Space Telescope konnten Forschende nun einen Blick auf die Vorgänge rund um die Sternentstehung in nahen Galaxien werfen. Schon die ersten Daten machten deutlich, welchen Beitrag James Webb hier künftig leisten wird. Die Klarheit, mit der feine Strukturen in den vier untersuchten Galaxien zu erkennen sind, hat das Team überrascht.

Neue JWST-Bilder geben Wissenschaftlern erstmals einen hochauflösenden Einblick in die feinen Strukturen naher Galaxien und wie diese durch die Geburt von jungen Sternen beeinflusst werden. Bild: NASA / ESA / CSA / Judy Schmidt (CC BY 2.0) [Großansicht]

Astronominnen und Astronomen aus der ganzen Welt, darunter auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, arbeiten gemeinsam an einem Projekt, das einige der verbleibenden Geheimnisse der Sternentstehung in Galaxien lüften soll. Diese "Treasury-Studie" mit dem Namen "Physics at High Angular Resolution in Nearby Galaxies with JWST" (PHANGS-JWST) unter der Leitung von Janice Lee vom Gemini Observatory am NOIRLab der National Science Foundation in Tucson im US-Bundesstaat Arizona, hat nun erste Daten aus einem vom James Webb Space Telescope (JWST) durchgeführten Beobachtungsprogramm analysiert.

Das Team plant 19 sogenannte "Face-on"-Galaxien in der Nähe der Milchstraße zu untersuchen, also solche Galaxien, die wir von "oben" bzw. "unten" sehen. In den ersten Monaten des wissenschaftlichen Betriebs des JWST wurden vier dieser Objekte – NGC 628 (M 74), NGC 1365, NGC 7496 und IC 5332 – beobachtet. Die Bilder, die mit der Nahinfrarotkamera (NIRCam) und dem Mittelinfrarotinstrument (MIRI) aufgenommenen wurden, haben die beteiligten Astronomen und Astronominnen durchaus überrascht. NIRCam ist ein Beitrag der Universität von Arizona. MIRI wurde von einem europäischen Konsortium aus Forschungseinrichtungen und Industriepartnern gebaut.

"Wir sind besonders stolz auf die wesentlichen technischen Beiträge des MPIA zu MIRI, wie zum Beispiel den Filterradmechanismus der bildgebenden Kamera", sagt Eva Schinnerer, Gruppenleiterin am MPIA. Sie leitet die gesamte PHANGS-Kollaboration. Die MIRI-Bilder zeigen ein Netzwerk stark strukturierter Details in diesen Galaxien – Balkenstrukturen, die Gas in die Zentren der Galaxien leiten und die Sternentstehung anheizen, und feine Ausläufer aus kaltem Gas zwischen den Spiralarmen, in denen sich Sterne über den gesamten Massenbereich hinweg bilden.

"Die Klarheit, mit der wir die feinen Strukturen sehen, hat uns wirklich überrascht", sagt Adam Leroy von der Ohio State University und Humboldt-Forschungspreisträger am MPIA. "Die neuen PHANGS-JWST-Daten geben uns einen faszinierenden Einblick in die Sternentstehung umliegender Spiralgalaxien bei höchster Auflösung", erklärt Nadine Neumayer, Leiterin einer Lise-Meitner-Forschungsgruppe am MPIA. "Die Infrarotbilder ergänzen die vorhandenen Daten des Hubble-Weltraumteleskops aus dem optischen Spektralbereich. Sie bieten Einblicke in Regionen, die bisher durch Staub verdeckt waren", ergänzt Nils Hoyer vom MPIA, Doktorand des Max-Planck-IMPRS-Programms an der Universität Heidelberg.

Das Infrarot-Licht ist Astronomen in dieser Qualität lange Zeit entgangen – bis das JWST die Bühne betrat. Das PHANGS-Team hat diese Galaxien jahrelang bei optischen, Radio- und ultravioletten Wellenlängen mit dem Hubble Space Telescope, dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array und dem Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) des Very Large Telescope der ESO untersucht. Ein entscheidendes Stadium des Lebenszyklus eines Sterns, wenn er in seinem Geburtskokon von Staub und Gas eingehüllt ist, blieb jedoch bisher außer Betracht. Die Leistungsstärke des JWST im Infrarotbereich ermöglicht es nun, den Staub zu durchdringen und die fehlenden Puzzlestücke sichtbar zu machen.

Die neuen JWST-Bilder sind für die Analysen des Teams wertvoll, weil sie feinste Strukturen jenseits der direkt benachbarten Galaxien im infraroten Spektralbereich offenlegen. Ein Beispiel sind die Nuclear Star Clusters (NSCs, zentrale Sternhaufen) in den Zentren von Spiralgalaxien. Einschließlich des NSC der Milchstraße eröffnen die neuen Daten bereits eine große Vielfalt von erstaunlich ruhigen bis hin zu dichten und massereichen Regionen mit hochaktiver episodischer Sternentstehung.

Die Bilder zeigen interessante und nie zuvor gesehene Strukturen, wie etwa im Zentrum von NGC 628, die das Team bisher nicht erklären kann. "Die neue Perspektive, die uns JWST auf die Zentren von Galaxien gibt, trägt grundlegend zu unserem Verständnis der Entwicklung von Sternhaufen und Galaxien bei", sagt Hoyer. "Mit dem JWST können wir die jüngsten Sterne, die sich noch in ihren Geburtswolken befinden, in nahen Galaxien genau lokalisieren. Diese Fähigkeit ermöglicht es uns, in das Innere von Gas und Staub in gasreichen Galaxienkernen zu schauen, so dass wir untersuchen können, wo und wie einströmendes Gas in Sterne umgewandelt wird, wie zum Beispiel in NGC 1365. So können wir diese Erkenntnisse mit der Milchstraße vergleichen", führt Schinnerer aus.

Ein weiterer spannender Aspekt ist die Entdeckung der Entstehung von Sternen zwischen den markanten Spiralarmen. "Unsere früheren Beobachtungen hatten bereits darauf hingedeutet, dass dies der Fall sein könnte", führt der ehemalige MPIA-Wissenschaftler Tom Williams aus, der jetzt an der Universität von Oxford in Großbritannien arbeitet. "Durch den Einsatz der beispiellosen Infrarot-Abbildungsfähigkeit des JWST konnten wir die jungen Sterne schließlich in feinen Ausläufern aus Gas, den sogenannten 'Spurs', nachweisen, die sich von den Spiralarmen aus erstrecken."

Die ersten Ergebnisse zeigen, wie erwartet, dass die Sternentstehungsrate in den Spiralarmen höher ist. Die Effizienz, mit der Gas in Sterne umgewandelt wird, scheint jedoch in der gesamten galaktischen Scheibe konstant zu sein. Sogar massereiche Sternhaufen können sich außerhalb der Spiralarme bilden, was bislang heftig diskutiert wurde. Da diese Beobachtungen im Rahmen eines Treasury-Programms gemacht werden, sind sie der Öffentlichkeit zugänglich, sobald die Beobachtungen vorliegen und auf der Erde empfangen werden. Das PHANGS-Team wird daran arbeiten, Datensätze zu produzieren und bereitzustellen, die die JWST-Daten mit den komplementären Datensätzen abgleichen, die zuvor von den anderen Observatorien gewonnen wurden, um so den Wert der Daten für die astronomische Gemeinschaft zu erhöhen.

Die ersten Ergebnisse des Teams, die in 21 Studien zusammengefasst sind, wurden kürzlich in einer Sonderausgabe der Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.