JWST enthüllt weit entfernte Galaxien hinter einer Gravitationslinse

Dank des ersten wissenschaftlichen Bildes, das diesen Monat vom James Webb Space Telescope (JWST) veröffentlicht wurde, konnte ein internationales Team von Forschenden unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA) ein verbessertes Modell für die Massenverteilung des Galaxienhaufens SMACS J0723.3−7327 erstellen. Eine Pressemitteilung des MPA.

Quelle: MPA 28. Juli 2022.

Das erste Bild des James-Webb-Space-Teleskops vom Galaxienhaufen SMACS J0723 enthüllt stark gelinste Hintergrundgalaxien in beispiellosen Einzelheiten. Der weiße Balken unten zeigt die Größenskala: 50 Bogensekunden entsprechen ungefähr der maximalen Größe des Jupiters von der Erde aus. (Bild: NASA, ESA, CSA and STScI)

28. Juli 2022 – Als Gravitationslinse vervielfacht und vergrößert SMACS J0723.3−7327 Bilder von Hintergrundgalaxien. Eine Familie solcher Mehrfachbilder gehört zu einer Galaxie, deren Entfernung sich mithilfe des neuen Modells auf 13 Milliarden Lichtjahre schätzen lässt. Wenn dies bestätigt wird, unterstreicht es die Bedeutung genauer Gravitationslinsenmodelle für die Identifizierung entfernter Galaxien und ihre detaillierte Untersuchung.

Das erste vom James Webb Space Telescope (JWST) veröffentlichte wissenschaftliche Bild zeigt den Galaxienhaufen SMACS J0723.3−7327. Insbesondere Galaxienhaufen können als Gravitationslinsen wirken und das Licht von Hintergrundgalaxien verstärken sowie mehrere Bilder von diesen erzeugen. Vor JWST waren hinter SMACS J0723.3−7327 insgesamt 19 Mehrfachbilder von sechs Hintergrundquellen bekannt. Die JWST-Daten enthüllten nun 27 zusätzliche Mehrfachbilder von zehn weiteren Objekten.

„In diesem ersten Schritt haben wir die Daten dieses brandneuen Teleskops verwendet, um den Linseneffekt von SMACS0723 mit großer Genauigkeit zu modellieren“, betont Gabriel Bartosch Caminha, Postdoc-Fellow am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA), der Technischen Universität München und dem German Centre for Cosmological Lensing (GCCL). Die Forschenden verwendeten zunächst Daten des Hubble Space Telescopes (HST) und des Multi Unit Spectroscopic Explorers (MUSE), um ein „Pre-JWST“-Linsenmodell zu erstellen, und verfeinerten es dann mit den neu verfügbaren JWST-Nahinfrarotdaten. „Die JWST-Aufnahmen sind absolut verblüffend und wunderschön. Sie zeigen viel mehr Mehrfachbilder von Hintergrundquellen, die es uns ermöglichten, unser Massenmodell für die Gravitationslinse erheblich zu verbessern“, fügt er hinzu.

Von den neu entdeckten, gelinsten Objekten gibt es bisher noch keine Entfernungsschätzungen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verwendeten ihr neues Modell für die Massenverteilung, um die Entfernung dieser Linsengalaxien abzuschätzen. Ein Objekt scheint sich demnach in der erstaunlichen Entfernung von 13 Milliarden Lichtjahren zu befinden (Rotverschiebung > 7,5), das heißt sein Licht wurde in den frühen Entwicklungsstadien unseres Universums emittiert. Von dieser Galaxie entstanden drei Mehrfachbilder und ihre Helligkeit wurde insgesamt um etwa das 20-fache verstärkt.

In diesem Bild sind die Mehrfahrbilder der Hintergrundbilder nummeriert. Dabei sind bereits bekannte Systeme cyan markiert, neue Mehrfach-Systeme grün. Die vergrößerten Bilder zeigen eine weit entfernte Galaxie mit strukturellen Auffälligkeiten (grüne Pfeile). (Bild: NASA, ESA, CSA and STScI (annotations by MPA))

Um solche weit entfernten Objekte zu untersuchen, ist es jedoch von grundlegender Bedeutung, den Linseneffekt des Galaxienhaufens im Vordergrund genau zu beschreiben. „Unser genaues Massenmodell bildet die Grundlage für die Untersuchung der JWST-Daten“, betont Sherry Suyu, Forschungsgruppenleiterin am MPA und dem Exzellenzcluster Origins, außerordentliche Professorin an der Technischen Universität München und Gastwissenschaftlerin am Academia Sinica Institut für Astronomie und Astrophysik. „Die spektakulären JWST-Bilder zeigen eine große Vielfalt stark gelinster Galaxien, die dank unseres genauen Modells jetzt im Detail untersucht werden können“, erläutert sie.

Das neue Modell für die Massenverteilung des Vordergrundhaufens ist in der Lage, die Positionen aller Mehrfachbilder mit hoher Genauigkeit zu reproduzieren und ist damit eines der besten verfügbaren Massenmodelle. Für Folgestudien dieser Quellen werden die Linsenmodelle, einschließlich Vergrößerungskarten (magnification maps) und Rotverschiebungen (also Entfernungen), die aus dem Modell geschätzt werden, öffentlich zugänglich gemacht. „Wir freuen uns sehr darüber“, fügt Suyu hinzu, „und wir warten gespannt auf zukünftige JWST-Beobachtungen anderer Galaxienhaufen mit starkem Linseneffekt. Diese werden es uns nicht nur ermöglichen, die Massenverteilungen von Galaxienhaufen besser einzugrenzen, sondern auch Galaxien mit hoher Rotverschiebung zu untersuchen.“

Publikation
G. B. Caminha, S. H. Suyu, A. Mercurio, G. Brammer, P. Bergamini, A. Acebron, and E. Vanzella: First JWST observations of a gravitational lens – Mass model of new multiple images with near-infrared observations of SMACS J0723.3−7327, submitted to A&A Letters.
https://arxiv.org/abs/2207.07567
pdf: https://arxiv.org/pdf/2207.07567.pdf

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