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Frühe Galaxie könnte Großteil ihrer ionisierenden Strahlung freisetzen
Strahlung aus der Frühzeit: Noch Hunderte Millionen Jahre nach dem Urknall füllte neutraler Wasserstoff große Teile des Alls. Nun deuten Webb-Messungen einer ungewöhnlich blauen Galaxie darauf hin, dass rund 85 Prozent ihrer ionisierenden Photonen entweichen könnten. Solche durchlässigen Galaxien könnten bei der Umwandlung des kosmischen Wasserstoffgases eine wichtige Rolle gespielt haben.
Kashiwa (Japan). Zu Beginn der kosmischen Geschichte war der Raum zwischen den jungen Galaxien von weitgehend neutralem Wasserstoff erfüllt. Erst energiereiche Strahlung konnte dessen Elektronen lösen und den Gasnebel während der sogenannten Reionisierung für ultraviolettes Licht durchlässiger machen. Umstritten ist, ob dafür vor allem viele lichtschwache Galaxien oder besonders ergiebige Strahlungsquellen verantwortlich waren.
Entscheidend ist dabei nicht nur die Menge an UV-Strahlung, die junge Sterne erzeugen. Ein großer Teil der ionisierenden Photonen kann bereits in den Galaxien selbst von Gas und Staub geschluckt werden. Wie viele davon tatsächlich ins All gelangen, ist aus so großer Entfernung nur indirekt abzuschätzen.
Forscher der University of Tokyo (UTokyo) um Yunjing Wu haben nun die ferne Galaxie EBG-1 mit dem James-Webb-Weltraumteleskop genauer untersucht. Ihr Licht stammt aus einer Zeit rund 530 Millionen Jahre nach dem Urknall. Der vorgelagerte Galaxienhaufen MACS0647 vergrößert das Bild von EBG-1 durch seine Schwerkraft und ermöglicht so detaillierte Beobachtungen.
Das Team hat die Galaxie insgesamt rund 14 Stunden lang mit dem Spektrografen NIRSpec vermessen. Schon frühere Aufnahmen zeigten, dass ihr ultraviolettes Licht zu kürzeren Wellenlängen hin ungewöhnlich stark zunimmt. Dieses extreme Blau kann auf wenig Staub und junge, metallarme Sterne hinweisen, aber auch auf einen hohen Anteil entweichender ionisierender Strahlung.
Die neue Arbeit liegt bisher als noch nicht fachbegutachteter Forschungs-Preprint vor. Mit dem tieferen Spektrum sollte geprüft werden, ob auch die leuchtenden Gaslinien zu einer besonders durchlässigen Galaxie passen.
Im Spektrum zeigte sich eine deutliche Emissionslinie von Sauerstoff, während die entsprechende Wasserstofflinie nur schwach nachweisbar war. Eine erwartete Linie von ionisiertem Kohlenstoff ließ sich gar nicht nachweisen. Aus dem Verhältnis der Sauerstoff- und Wasserstoffsignale leitete das Team einen Sauerstoffgehalt von nur rund drei Prozent des Sonnenwerts ab.
Anschließend verglichen die Forscher die Messungen mit künstlich erzeugten Galaxienspektren. Unter der Annahme einer gleichmäßigen Sternbildung und praktisch fehlender Staubabsorption passten die Daten am besten zu einer Entweichrate von etwa 85 Prozent. Die verschiedenen Modellvergleiche sprechen insgesamt für mindestens rund 75 Prozent entweichender ionisierender Photonen.
Dieser Anteil wurde allerdings nicht direkt gemessen, denn das Wasserstoffgas zwischen den Galaxien verschluckt solche Photonen auf ihrem Weg zur Erde. Zudem ist die Wasserstofflinie nur schwach nachgewiesen, während für die Kohlenstofflinie lediglich eine Obergrenze vorliegt. Die Schätzung hängt deshalb von den verwendeten Modellen und deren Annahmen ab.
Sollte die hohe Entweichrate zutreffen, könnte eine vergleichsweise UV-helle Galaxie wie EBG-1 weit mehr zur Reionisierung beitragen als bislang oft angenommen. Damit wäre nicht allein die große Zahl sehr lichtschwacher Zwerggalaxien entscheidend, sondern auch die Strahlungseffizienz einzelner hellerer Objekte.