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Roman-Weltraumteleskop soll beispiellosen Blick ins frühe All ermöglichen
Bislang zeigen die tiefsten Bilder des jungen Universums nur winzige Ausschnitte des Himmels. Das genehmigte Roman eXtreme Deep Field soll ähnlich schwache Lichtquellen wie Hubbles extremstes Tiefenfeld auf etwa 140-mal größerer Fläche erfassen. Dadurch könnten Astronomen die Häufigkeit früher Galaxien, die Entstehung großer Schwarzer Löcher und kurzzeitig aufleuchtende Sterne besser untersuchen.
Columbia (U.S.A.). Wer besonders weit entfernte Galaxien untersuchen will, muss ihr schwaches Licht oft über viele Stunden sammeln. Solche Tiefenaufnahmen sind deshalb meist auf kleine Himmelsfelder begrenzt, obwohl seltene Objekte erst auf größeren Flächen zuverlässig erfasst werden können.
Hinzu kommt ein statistisches Problem. Galaxien sind im Kosmos nicht gleichmäßig verteilt, sodass ein sehr kleiner Ausschnitt einen verzerrten Eindruck von ihrer tatsächlichen Häufigkeit vermitteln kann. Diese sogenannte kosmische Varianz erschwert es, auffällig helle Galaxien aus der Frühzeit des Universums richtig einzuordnen.
Forscher der University of Missouri um Prof. Haojing Yan haben deshalb ein neues Beobachtungsprogramm für das Nancy Grace Roman Space Telescope ausgearbeitet. Der Plan mit dem Namen Roman eXtreme Deep Field (RXDF) ist für die ersten beiden Beobachtungszyklen genehmigt und in einem noch nicht fachbegutachteten Forschungs-Preprint dokumentiert. An dem Vorhaben sind nach Angaben der Universität 130 Wissenschaftler aus 62 Einrichtungen beteiligt.
Mit diesen Beobachtungen wollen die Astronomen weit in die Vergangenheit des Universums zurückblicken. Weil Licht Zeit benötigt, um große Entfernungen zu überbrücken, zeigt es ferne Himmelsobjekte in früheren Entwicklungsstadien.
„Wenn wir beispielsweise auf die Sonne schauen, sehen wir sie so, wie sie vor etwa acht Minuten aussah, denn so lange braucht ihr Licht bis zur Erde. Je weiter wir ins All blicken, desto frühere Entwicklungsstadien von Objekten sehen wir. So können wir untersuchen, wie nach dem Beginn des Universums die ersten Galaxien, Schwarzen Löcher und andere kosmische Strukturen entstanden“, erklärt Prof. Haojing Yan.
Für RXDF sind rund 385 Stunden Beobachtungszeit vorgesehen. Die besonders tief belichtete Kernfläche soll 678,75 Quadratbogenminuten umfassen, also knapp ein Fünftel Quadratgrad am Himmel, und damit rund 140-mal so groß sein wie die ähnlich tiefen Aufnahmen des Hubble eXtreme Deep Field. Insgesamt ist ein zusammenhängendes Gebiet von 1.243 Quadratbogenminuten geplant, das allerdings nicht überall die maximale Empfindlichkeit erreicht.
Romans Wide Field Instrument (WFI) soll dafür sieben Filter von 0,5 bis 2,3 Mikrometern Wellenlänge einsetzen. In fünf dieser Filter ist eine Grenzhelligkeit von 30 Magnituden vorgesehen. Das ist ein Maß für die Schwäche des erfassten Lichts, bei dem größere Werte noch lichtschwächere Objekte bezeichnen. Mit dieser hohen Empfindlichkeit können die Forscher nach besonders lichtschwachen Galaxien suchen, ohne sich auf einen winzigen Himmelsfleck beschränken zu müssen.
Der entscheidende Unterschied zu bisherigen Tiefenfeldern liegt damit in der Verbindung aus großer Fläche und langen Belichtungen. Ein einzelner seltener Fund könnte künftig mit einer deutlich größeren Vergleichsstichprobe eingeordnet werden.
Eine zentrale Frage betrifft die ungewöhnlich hellen Galaxien, die das James-Webb-Weltraumteleskop bereits aus sehr frühen kosmischen Epochen aufgespürt hat. Unklar ist, ob dort generell besonders effizient Sterne entstanden oder ob kurze Phasen intensiver Sternbildung die auffällige Helligkeit erklären. Die Häufigkeit und räumliche Verteilung der Galaxien könnten helfen, diese Möglichkeiten zu unterscheiden.