Auf der laufenden Suche nach den frühesten Galaxien des Universums hat das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA seine Beobachtungen für das Frontier Fields-Projekt abgeschlossen. Dieses ehrgeizige Projekt hat die Leistung aller drei großen Observatorien der NASA – Spitzer, das Hubble-Weltraumteleskop und das Chandra-Röntgenobservatorium – gebündelt, um so weit in Zeit und Raum zurück vorzudringen, wie es die aktuelle Technologie zulässt.
Selbst mit den besten Teleskopen von heute ist es schwierig, genügend Licht von den allerersten Galaxien zu sammeln, die sich mehr als 13 Milliarden Lichtjahre entfernt befinden, um über ihre ungefähre Entfernung hinaus viel über sie zu erfahren. Aber Wissenschaftler verfügen über ein Werkzeug kosmischen Ausmaßes, das ihnen bei ihren Studien hilft. Die von massiven Galaxienhaufen im Vordergrund ausgeübte Schwerkraft beugt und verstärkt das Licht weit entfernter Objekte im Hintergrund und erzeugt so kosmische Zoomlinsen. Dieses Phänomen wird Gravitationslinseneffekt genannt.
Die Frontier Fields-Beobachtungen erfolgten durch die stärksten verfügbaren Zoomobjektive und zielten auf sechs der massereichsten bekannten Galaxienhaufen. Diese Linsen können winzige Hintergrundgalaxien um den Faktor Hundert vergrößern. Mit Spitzers neuen Frontier Fields-Daten sowie Daten von Chandra und Hubble werden Astronomen beispiellose Details über die frühesten Galaxien erfahren.
„Spitzer hat seine Frontier Fields-Beobachtungen abgeschlossen und wir freuen uns sehr, all diese Daten der astronomischen Gemeinschaft zugänglich zu machen“, sagte Peter Capak, ein Forschungswissenschaftler am NASA/JPL Spitzer Science Center am Caltech in Pasadena, Kalifornien Spitzer leitet das Frontier Fields-Projekt.
Ein kürzlich in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlichter Artikel präsentierte die vollständigen Katalogdaten für zwei der sechs von den Frontier Fields untersuchten Galaxienhaufen: Abell 2744 – auch „Pandora-Cluster“ genannt – und MACS J0416, beide etwa vier Milliarden Lichtjahre entfernt. Die anderen für Frontier Fields ausgewählten Galaxienhaufen sind RXC J2248, MACS J1149, MACS J0717 und Abell 370.
Eifrige Astronomen werden die Frontier Fields-Kataloge nach den kleinsten Objekten mit den dunkelsten Linsen durchsuchen, von denen sich viele als die am weitesten entfernten Galaxien erweisen dürften, die jemals gesehen wurden. Der aktuelle Rekordhalter, eine Galaxie namens GN-z11, wurde im März von Hubble-Forschern in der erstaunlichen Entfernung von 13,4 Milliarden Lichtjahren entdeckt, nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Für die Entdeckung dieser Galaxie waren keine Gravitationslinsen erforderlich, da es sich für ihre Epoche um ein weit entferntes, extrem helles Objekt handelt. Mit der Vergrößerungssteigerung durch Gravitationslinsen wird das Frontier Fields-Projekt es Forschern ermöglichen, typische Objekte in so unglaublichen Entfernungen zu untersuchen und so ein genaueres und vollständigeres Bild der frühesten Galaxien des Universums zu zeichnen.
Astronomen wollen verstehen, wie diese Urgalaxien entstanden sind, wie sich ihre konstituierende Masse zu Sternen entwickelt hat und wie diese Sterne die Galaxien mit chemischen Elementen angereichert haben, die in ihren thermonuklearen Öfen verschmolzen sind. Um mehr über den Ursprung und die Entwicklung der frühesten Galaxien zu erfahren, die recht lichtschwach sind, müssen Astronomen so viel Licht wie möglich in einem Frequenzbereich sammeln. Mit ausreichend Licht von diesen Galaxien können Astronomen Spektroskopie durchführen und Details über die Zusammensetzung, Temperatur und Umgebung von Sternen ermitteln, indem sie die Signaturen der im Licht eingeprägten chemischen Elemente untersuchen.
„Mit dem Frontier-Fields-Ansatz“, sagte Capak, „werden die entferntesten und schwächsten Galaxien so hell gemacht, dass wir anfangen können, einige eindeutige Dinge über sie zu sagen, wie zum Beispiel ihre Sternentstehungsgeschichte.“
Da sich das Universum im Laufe seiner 13,8 Milliarden Jahre alten Geschichte ausgedehnt hat, wurde das Licht von extrem weit entfernten Objekten auf seinem langen Weg zur Erde gestreckt oder rotverschoben. Das von Sternen in den mit Gravitationslinsen versehenen Hintergrundgalaxien, die in den Frontier Fields beobachtet werden, emittierte optische Licht hat sich daher ins Infrarote verschoben. Spitzer kann dieses Infrarotlicht verwenden, um die Populationsgröße von Sternen in einer Galaxie zu messen, was wiederum Hinweise auf die Masse der Galaxie gibt. Durch die Kombination des von Spitzer und Hubble beobachteten Lichts können Astronomen Galaxien am Rande des beobachtbaren Universums identifizieren.
Hubble scannt unterdessen die Frontier Fields-Galaxienhaufen im optischen und nahinfraroten Licht, das sich auf seiner Reise zur Erde vom ultravioletten Licht in die Rotverschiebung verwandelt hat. Chandra beobachtet seinerseits die Galaxienhaufen im Vordergrund in hochenergetischer Röntgenstrahlung, die von Schwarzen Löchern und heißem Umgebungsgas emittiert wird. Zusammen mit Spitzer ermitteln die Weltraumteleskope die Massen der Galaxienhaufen, einschließlich ihres unsichtbaren, aber erheblichen Gehalts an dunkler Materie. Die Bestimmung der Gesamtmasse der Galaxienhaufen ist ein entscheidender Schritt bei der Quantifizierung der Vergrößerung und Verzerrung, die sie bei interessierenden Hintergrundgalaxien hervorrufen. Aktuelle Multiwellenlängen-Ergebnisse in diesem Sinne aus dem Frontier Fields-Projekt zu den Clustern MACS J0416 und MACS J0717 wurden im Oktober 2015 und Februar 2016 veröffentlicht. Diese Ergebnisse führten auch zu Radiowellenbeobachtungen vom Karl G. Jansky Very Large Array, um Sterne zu sehen -bildende Regionen, die sonst von Gas und Staub verdeckt werden.
Die Zusammenarbeit mit Frontier Fields hat die an den Bemühungen beteiligten Wissenschaftler dazu inspiriert, mit dem James Webb-Weltraumteleskop, dessen Start für 2018 geplant ist, noch tiefer in das Universum vorzudringen.
„Die Frontier Fields waren ein vollständig von der Gemeinschaft geleitetes Projekt, das sich von der Art und Weise unterscheidet, wie viele Projekte dieser Größenordnung normalerweise verfolgt werden“, sagte Lisa Storrie-Lombardi vom Spitzer Science Center, ebenfalls am Frontier Fields-Projekt beteiligt. „Die Leute sind zusammengekommen und haben Frontier Fields wirklich angenommen.“
Zusätzlich zu den sechs Frontier Fields-Galaxienhaufen hat Spitzer Folgebeobachtungen auf anderen, etwas flacheren Feldern durchgeführt, die Hubble untersucht hat, und so die Gesamtzahl der kosmischen Regionen erweitert, in denen ziemlich tiefe Beobachtungen gemacht wurden. Diese zusätzlichen Felder werden weiterhin als wertvolle Untersuchungsgebiete für Webb und zukünftige Instrumente dienen.
Das Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, leitet die Mission des Spitzer-Weltraumteleskops für das Science Mission Directorate der NASA in Washington. Der wissenschaftliche Betrieb wird im Spitzer Science Center am Caltech durchgeführt. Der Betrieb der Raumfahrzeuge ist bei der Lockheed Martin Space Systems Company in Littleton, Colorado, angesiedelt. Die Daten werden im Infrarot-Wissenschaftsarchiv archiviert, das im Infrarot-Verarbeitungs- und Analysezentrum des Caltech untergebracht ist. Caltech verwaltet JPL für die NASA.
