JWST erkennt komplexe organische Moleküle bei 12 Milliarden Licht

Durch eine Kombination aus gravitativer Lichtbeugung und der außergewöhnlichen Leistung des JWST haben Wissenschaftler polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) in einer Galaxie 12 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt entdeckt. Wir sehen die Galaxie SPT0418-47 so, wie sie war, als das Universum ein Zehntel seines heutigen Alters hatte, und die Beobachtungen zeigen, dass sie bereits mit schweren Elementen und ziemlich komplexen Molekülen angereichert war.

Wenn wir PAKs auf der Erde finden, ist das normalerweise ein schlechtes Zeichen. Diese Gruppe von Verbindungen entsteht bei Waldbränden und in den Abgasen von Motoren, obwohl einige von ihnen auch als Insektizide und Vorläufer für andere Moleküle verwendet werden. Sie im Weltraum zu finden, ist eine ganz andere Sache, da sie auf wichtige chemische Prozesse und einige der Zutaten hinweisen, die für die Entstehung von Leben erforderlich sind.

Das Auffinden von PAHs in unserer eigenen Galaxie ist zur Routine geworden, aber im frühen Universum ist das eine andere Sache. Nun hat ein neues Papier das geändert. Darüber hinaus geht die Arbeit weit über die bloße Entdeckung hinaus. Durch die Kartierung der PAK-Verteilung in SPT0418-47 zeigt die Arbeit, dass die Infrarotemissionen einer staubigen Galaxie wie dieser von der Sternentstehung dominiert wurden.

Die Hälfte der Strahlung, die Sterne aussenden, wird von Staubkörnern absorbiert, die dabei erhitzt werden und die Energie im Infrarotbereich wieder abgeben, wo das JWST sie erkennen kann. PAKs verfolgen die Verteilung millimetergroßer Staubkörner im Weltraum und können als Stellvertreter für deren Anwesenheit dienen. Sie regulieren auch die Kühlung von Gas zwischen Sternensystemen.

Die Atmosphäre stört erdbasierte Beobachtungen im Infrarotbereich, und vor den JWST-Weltraumteleskopen fehlte die Möglichkeit, die PAH-Verteilung in sehr weit entfernten Galaxien zu untersuchen. Zusammen mit dem JWST verwendeten die Autoren des Papiers, darunter der Doktorand Kedar Phadke von der University of Illinois Urbana-Champaign und Professor Joaquin Vieira, ein extremes Beispiel der Gravitationslinse, bei der eine große Masse das Licht eines weiter entfernten Objekts bündelt, um es zu vergrößern.

SPT0418-47 wird von einer näheren Galaxie durch die Gravitationslinse beeinflusst, sodass es 30–35 Mal so groß und hell erscheint, wie es ohne die Linse der Fall wäre. Nur die Kombination eines so extremen Linseneffekts und der Leistung des JWST ermöglicht es uns, eine so weit entfernte Galaxie um die 3,3-Mikrometer-Wellenlänge herum, bei der PAHs strahlen, so deutlich zu sehen.

„Was uns diese Forschung jetzt sagt – und wir lernen immer noch – ist, dass wir alle Regionen sehen können, in denen sich diese kleineren Staubkörner befinden – Regionen, die wir vor dem JWST nie sehen konnten“, sagte Phadke in einer Erklärung.

Die Verteilung von PAKs und kleinen Körnern zeigt ein anderes Muster als die größeren Staubkörner, die für Emissionen im fernen Infrarot verantwortlich sind, wobei die Verhältnisse zwischen ihnen um den Faktor fünf variieren.

Es zeigt sich auch, dass der Großteil der Infrarotstrahlung von SPT0418-47 nicht wie bei Quasaren von der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch stammt, sondern von Sternen emittiert wird.

„Das haben wir nicht erwartet“, sagte Vieira. „Der Nachweis dieser komplexen organischen Moleküle aus so großer Entfernung ist für zukünftige Beobachtungen von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit ist nur der erste Schritt, und wir lernen gerade erst, wie man sie nutzt und welche Fähigkeiten sie bietet. Wir sind sehr gespannt, wie das geht.“ das spielt sich ab.

Eine Sache, die wir noch nicht wissen, ist, ob SPT0418-47 in der gemessenen Art und Weise typisch für Galaxien dieser Ära ist oder ein Ausreißer. Um diese Frage zu beantworten, müssen wir entweder viel mehr Galaxien mit einer günstig platzierten näheren Galaxie finden, die sie durch ihre Gravitationslinse für uns fokussieren kann, oder wir müssen ein Teleskop bauen, das noch leistungsstärker ist als das JWST.

Die Studie ist in Nature veröffentlicht.