Netzwerk aus Gas und Staub naher Galaxien sichtbar

Neue Erkenntnisse über die Orte der Sternentstehung in Galaxien.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werfen mit dem James Webb Space Telescope (JWST) einen ersten Blick darauf, wie dieses leistungsstarke Infrarotteleskop die fehlenden Teile des Puzzles der Sternentstehung in nahen Galaxien aufspüren wird. Die ersten Daten liefern bereits Hinweise darauf, wie einige der räumlich kleinsten Vorgänge in unserem Universum – die Ursprünge der Sternentstehung – die Formen, Strukturen und die Dynamik der größten Objekte in unserem Universum – den Galaxien – beeinflussen können.

Astronominnen und Astronomen aus der ganzen Welt, darunter auch Wissenschafterinnen und Wissenschafter 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, leitende Wissenschaftlerin des Gemini Observatory am NOIRLab der National Science Foundation in Tucson, Arizona, USA, unternimmt nun den nächsten Schritt, indem sie die ersten Bilder eines vom James Webb Space Telescope (JWST) durchgeführten Beobachtungsprogramms analysiert. Die ersten Ergebnisse des Teams, die in 21 Studien zusammengefasst sind, wurden kürzlich in einer Sonderausgabe der Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Das Team wird 19 „Face-on“-Galaxien in der Nähe der Milchstraße 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 Ergebnisse der mit der Nahinfrarotkamera (NIRCam) und dem Mittelinfrarotinstrument (MIRI) aufgenommenen Bilder versetzen Astronomen und Astronominnen bereits in Erstaunen. 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 und ist die Hauptautorin eines der drei von MPIA-Wissenschaftlern veröffentlichten Artikel. 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, USA 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. Er ist der Hauptautor eines der Artikel, die in dieser Sonderausgabe veröffentlicht wurden, und ein 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 unsere Analysen 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 wir bisher nicht erklären können. „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. Er ist der Hauptautor der dritten vom MPIA geleiteten Arbeit der Sonderausgabe und arbeitet jetzt an der Universität von Oxford, Großbritannien. „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.

Weitere Informationen

Die Forschungsarbeiten des PHANGS-Teams werden im Rahmen des General Observer Programms 2107 durchgeführt.

Die an diesen Studien beteiligten Forschenden des MPIA sind Eva Schinnerer (Leiterin des PHANGS-Projekts), Nadine Neumayer (Leiterin einer Lise Meitner Forschungsgruppe), Anja Feldmeier-Krause, Jonathan Henshaw, Nils Hoyer, Albrecht Kamlah, Justus Neumann, Francisco Nogueras-Lara, Ismael Pessa, Francesca Pinna, Sophia Stuber und Thomas Williams.

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Observatorium für Weltraumforschung. JWST ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Diese Pressemitteilung ist koordiniert mit und basiert auf einem ähnlich lautenden Artikel des Space Telescope Science Institute (STScI) vom selben Tag.

Medienkontakt

Markus Nielbock
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel. +49 (0)6221 528-134
E-Mail: pr@mpia.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Eva Schinnerer
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel. +49 (0)6221 528-293
E-Mail: schinnerer@mpia.de

Nadine Neumayer
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel. +49 (0)6221 528-446
E-Mail: neumayer@mpia.de

Nils Hoyer
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg, Deutschland
E-Mail: hoyer@mpia.de

Thomas G. Williams
Department of Physics, University of Oxford
Oxford, UK
E-Mail: thomas.williams@physics.ox.ac.uk

Originalpublikation:

Eva Schinnerer et al., „PHANGS-JWST First Results: Rapid Evolution of Star Formation in the Central Molecular Gas Ring of NGC 1365“, The Astrophysical Journal Letters (2023). https://arxiv.org/abs/2212.09168

Nils Hoyer et al., „PHANGS-JWST First Results: A combined HST and JWST analysis of the nuclear star cluster in NGC 628“, The Astrophysical Journal Letters (2023).
https://arxiv.org/abs/2211.13997

Thomas G. Williams et al., „PHANGS-JWST First Results: Spurring on Star Formation: JWST Reveals Localized Star Formation in a Spiral Arm Spur of NGC 628“, The Astrophysical Journal Letters, 941, L27 (2022).
doi: 10.3847/2041-8213/aca674
https://arxiv.org/abs/2212.00032

Weitere Informationen:

https://www.mpia.de/aktuelles/wissenschaft/2023-03-phangs-jwst – Pressemitteilung des MPIA mit weiteren Bildern