So weit können wir ins Universum sehen: Die bedeutendsten Deep-Field-Aufnahmen der Weltraumteleskope

Immer mehr Aufnahmen von Weltraumteleskopen und Observatorien zeigen Ausschnitte des frühen Universums, immer mehr Entdeckungen bis kurz nach dem Urknall werden gemacht. Doch wie sind diese sogenannten Deep-Field-Aufnahmen einzuschätzen? Welche Bilder und Programme waren wirklich bahnbrechend?

Hubble Deep Field (HDF) von 1995. Bild: NASA

Es ist nicht lange her, dass das James-Webb-Weltraumteleskop Aufnahmen von der Galaxie JADES-GS-z14-0 gemacht hat, der bisher am weitesten entfernten und ältesten Galaxis, die je von einem Weltraumteleskop beobachtet wurde. Doch in letzter Zeit häufen sich die Rekorde: Es werden ständig noch ältere Galaxien entdeckt, die immer noch näher am Urknall liegen. Hier ein kleiner Überblick.

Deep-Field-Aufnahmen sind Aufnahmen von Weltraumteleskopen oder Observatorien, bei denen ein ganz bestimmter Ausschnitt des Himmels ultrahochauflösend untersucht wird. Dabei fixiert das Teleskop besonders lange eine bestimmte Stelle, um sehr weit entfernte Objekte erfassen zu können. Bedeutende Aufnahmen stammen etwa vom Hubble- und vom James-Webb-Teleskop, aber auch von einigen Observatorien auf der Erde wie Keck oder Chandra X-ray sowie dem VISTA-Teleskop.

Der Gedanke hinter den Deep-Field-Aufnahmen ist, dass man mit größerer Entfernung der Beobachtungen gedanklich auch weiter in der Zeit zurückgehen kann – denn das Licht benötigt schließlich mehr Zeit, um den Weltraum zu durchqueren. Somit ist es möglich, Ereignisse aus dem frühen Universum zu beobachten.

Nicht zu verwechseln mit den Deep-Field-Untersuchungen sind übrigens Deep-Sky-Beobachtungen. Dabei werden lediglich Objekte untersucht, die außerhalb unseres Sonnensystems liegen.

Hubble eXtreme Deep Field (XDF) von 2012. Bild: NASA

Man geht davon aus, dass das sichtbare Licht bis etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall reicht. Danach müssen Infrarotaufnahmen weitere Informationen liefern.

Das Weltraumteleskop Hubble hatte mit seinen Aufnahmen Hubble Deep Field (HDF) (1995), Hubble Ultra Deep Field (HUDF) (2004) und Hubble eXtreme Deep Field (XDF) (2012) erstmals spektakuläre Tiefenfeld-Aufnahmen des Universums erstellt.

Mehrere hundert noch nie zuvor gesehene Galaxien waren in der bis dato „tiefsten“ Ansicht des Universums, dem Hubble Deep Field (HDF) von 1995, zu sehen. Neben den klassischen spiralförmigen und elliptischen Galaxien gibt es eine erstaunliche Vielfalt an Galaxienformen und -farben, die wichtige Hinweise auf die Entwicklung des Universums liefern. Einige der Galaxien haben sich möglicherweise weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall gebildet.

Erfolgreiche Deep-Field-Programme

Um die Tiefen des Weltraums erforschen zu können, werden oft große Programme initiiert, in deren Rahmen die Daten verschiedener Teleskope ausgewertet werden.

Das alte Programm GOODS etwa vereinte Deep-Field-Beobachtungen von NASA (Spitzer, Hubble und Chandra), ESA (Herschel und XMM-Newton) und bodengestützter Observatorien, um das ferne Universum bis zu den Grenzen des elektromagnetischen Spektrums zu untersuchen. GOODS verfolgte Entstehung und Entwicklung von Galaxien und kartierte die Geschichte der universellen Expansion anhand von Supernovae mit hoher Rotverschiebung.

Seit seiner Inbetriebnahme im Jahr 2022 liefert auch das James-Webb-Weltraumteleskop Deep-Field-Aufnahmen. Mit seinen Spezialinstrumenten wie dem NIRS (Nahinfrarot-Spektrometer) kann es Objekte erfassen, die sich nicht mehr im Bereich des sichtbaren Lichts befinden. Im Rahmen des JADES-Programms (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) werden Informationen über das frühe Universum gesammelt. JADES untersucht dabei die Regionen, die im Rahmen des GOODS-Programms beobachtet wurden, nämlich das Hubble Deep Field und das Hubble Ultra Deep Field.

Das Bild SMACS 0723 ist die erste Deep-Field-Aufnahme, die von Webbs Nahinfrarotkamera (NIRCam) gemacht wurde, ein Kompositbild aus verschiedenen Wellenlängen, die insgesamt 12,5 Stunden lang aufgenommen wurden. Hubble hätte für diese Aufnahme Wochen benötigt.

Zu den neueren Webb-Aufnahmen gehört hingegen die der Galaxie JADES-GS-z14-0, bei der die Wissenschaftler von einem Alter von 13,5 Milliarden Jahren ausgehen. „ Diese Galaxien gehören zu einer kleinen, aber wachsenden Population von Galaxien aus der ersten halben Milliarde Jahre der kosmischen Geschichte, bei denen wir die stellaren Populationen und die charakteristischen Muster der Elemente, die sie bilden, wirklich untersuchen können“, sagt Dr. Francesco D'Eugenio vom Kavli Institute for Cosmology an der Universität von Cambridge.

Die neueren Entdeckungen deuten darauf hin, dass die frühen Galaxien deutlich massereicher und größer sind, als bisher angenommen. Somit stellen die Untersuchungen des frühen Universums allmählich das Standardmodell der Kosmologie infrage.