Das James-Webb-Weltraumteleskop hat im Hubble Ultra Deep Field eine einzelne Infrarotlinie bei 1,60 Mikrometern zweimal registriert, obwohl an ihrer Position selbst extrem tiefe Hubble- und Webb-Bilder keine sichtbare Quelle zeigen. Die beiden Beobachtungsfenster lagen 88 Tage auseinander, und die Linie erschien aus zwei fast rechtwinklig zueinander gedrehten Blickrichtungen. Sechs weitere sichere Emissionslinien der Suche ließen sich bekannten Galaxien zuordnen, nur dieser siebte Treffer blieb ohne Gegenstück. Genau diese Kombination lässt offen, was dort überhaupt geleuchtet hat.
Mason Huberty von der University of Minnesota und sein Team suchten mit NIRSpec nicht nach einem bereits katalogisierten Objekt, sondern ließen das Instrument gewissermaßen den scheinbar leeren Raum zwischen bekannten Quellen absuchen. Dafür öffneten sie mehr als 90 Prozent der winzigen Mikroschalter des Spektrografen und schlossen gezielt jene, hinter denen bekannte, vergleichsweise nahe Galaxien lagen. Die Originalarbeit zur neuen NIRSpec-Methode und zum Fund beschreibt 16 Einzelbelichtungen, die in vier Stacks zusammengefasst wurden. In diesen Daten tauchte an derselben Himmelsposition immer wieder eine schmale Emissionslinie auf.
Gerade das Hubble Ultra Deep Field gilt als einer der am intensivsten beobachteten Flecken des Himmels. In tiefen Aufnahmen liegen dort zahllose ferne Galaxien wie winzige farbige Punkte und Flecken nebeneinander, während Webb im Infrarot noch schwächere Quellen sichtbar machen kann. Dass eine spektrale Linie ohne erkennbares Objekt dazwischensteht, ist deshalb ungewöhnlich. Das James-Webb-Weltraumteleskop liefert häufig spektakuläre Bilder, doch in diesem Fall steckt die entscheidende Information nicht in einem Foto, sondern in der Aufspaltung des Lichts nach Wellenlängen.
Die gemessene Wellenlänge liegt bei 16.004 ± 1 Ångström, also rund 1,6004 Mikrometern. Über alle vier Stacks ergibt sich ein Linienfluss von etwa 2,5 ± 0,3 × 10⁻¹⁸ Erg pro Sekunde und Quadratzentimeter, während die Halbwertsbreite bei 13,2 ± 2,0 Ångström liegt. Entscheidend ist weniger die absolute Helligkeit als die Wiederholung: Zwei Stacks stammen vom 23. und 24. August 2023, zwei weitere vom 19. November 2023. Zwischen den beiden Beobachtungsrichtungen lagen rund 89 Grad, und trotzdem erschien die Linie erneut an der Position, die sich aus beiden Datensätzen unabhängig ableiten ließ.
Aus zunächst mehreren hundert Kandidaten pro Detektorstack blieben sieben sichere Emissionslinien übrig. Sechs ließen sich Galaxien aus dem JADES-Katalog zuordnen, die siebte lag bei einer Himmelsposition ohne identifizierbaren Gastgeber. In den tiefen NIRCam-Aufnahmen erreicht das Bild an dieser Stelle eine Empfindlichkeit, bei der die gemessene Linie allein bereits sichtbar sein müsste. Genau dort bleibt das Bild leer; drei schwache Galaxien liegen zwar innerhalb von etwa einer Bogensekunde, sitzen aber zu weit vom berechneten Ursprung entfernt, um ohne zusätzliche Erklärung als direkte Quelle zu dienen.
Besonders auffällig ist der Vergleich mit JADES-Aufnahmen vom Oktober 2022. Rechnet man nur die gemessene Emissionslinie durch den F150W-Filter von NIRCam, sollte sie einen Fluss von rund 5,5 Nanojansky erzeugen und damit ungefähr 0,7 Magnituden oberhalb der nominalen Nachweisgrenze liegen. Auf diesen Bildern ist an der Position trotzdem kein Objekt zu erkennen. Weil zwischen den Aufnahmen und den Spektren etwa ein Jahr liegt, passt ein vorübergehendes Ereignis besser zu dieser Lücke als eine dauerhaft unveränderte Quelle.
Bleibt die Quelle dagegen über lange Zeit bestehen, wird die sogenannte Äquivalentbreite extrem. Das Team leitet aus der fehlenden Bildquelle einen unteren Grenzwert von 7.620 Ångström im beobachteten System ab. Eine so große Zahl bedeutet vereinfacht, dass die einzelne Linie im Verhältnis zum unsichtbar schwachen kontinuierlichen Licht außerordentlich stark wäre. Gewöhnliche Sternentstehungsgebiete geraten damit schnell an physikalische Grenzen, weil zu den naheliegenden Linien normalerweise ein messbares Kontinuum oder weitere Linien gehören.
Mehrere bekannte Linien können rechnerisch bei 1,60 Mikrometern landen, wenn das Licht durch die Expansion des Universums stark rotverschoben wurde. Sauerstofflinien würden je nach Zuordnung Rotverschiebungen von 2,20 oder 3,29 ergeben, Hα läge bei 1,44 und Lyman-α sogar bei 12,16. Jede Variante hat jedoch einen konkreten Haken. Bei den Sauerstoff- und Hα-Erklärungen fehlen Begleitlinien, die NIRSpec im gleichen Bereich hätte sehen können; für Lyman-α wäre eine extrem junge, metallarme Quelle im sehr frühen Universum nötig.
Gerade die Lyman-α-Idee klingt reizvoll, weil Webb bereits Objekte aus den ersten wenigen hundert Millionen Jahren des Kosmos aufspürt. In diesem Fall müsste das ultraviolette Licht aber durch ein damals noch stark neutrales intergalaktisches Medium gelangen, während gleichzeitig kein deutliches Kontinuum der Galaxie sichtbar ist. Solche frühen, von Gas umhüllten Objekte gehören zu den zentralen Rätseln der Webb-Ära; auf FuW wurde etwa ein ungewöhnlicher Schwarzes-Loch-Stern aus der kosmischen Frühzeit beschrieben. Für die aktuelle Infrarotlinie reicht diese Analogie als Erklärung jedoch nicht aus.
Ein vorübergehendes Ereignis löst immerhin das Problem der fehlenden JADES-Quelle, weil das Leuchten 2022 noch gar nicht vorhanden gewesen sein müsste. Ein aufflammender Stern in der Milchstraße scheitert nach der Analyse daran, dass weitere Wasserstofflinien der Brackett-Serie fehlen. Auch eine Supernova vom Typ IIn wäre denkbar, weil sie schmale Emissionslinien aus dichtem Gas um den explodierenden Stern erzeugen kann. Dann müsste jedoch eine weitere Paschen-Linie bei rund 1,37 Mikrometern auftauchen, die in den Daten nicht klar zu sehen ist.
Mehr Spielraum bietet ein Ereignis, bei dem ein Schwarzes Loch einen Stern durch Gezeitenkräfte zerreißt. Solche Tidal-Disruption-Events können über Monate starke Wasserstofflinien zeigen, während das kontinuierliche Licht bereits schwach geworden ist oder durch Staub gedämpft wird. Die nahezu gleichen Linienflüsse im August und November schließen einen solchen langsamen Verlauf nicht aus, sprechen aber gegen ein schnell durch das Gesichtsfeld wanderndes Objekt im Sonnensystem. Ein anderes rätselhaftes, über Jahre veränderliches Objekt wurde bei FuW zuletzt als ungeklärte Radioquelle in der Milchstraße beschrieben; hier geht es dagegen um eine einzelne Infrarotlinie in einem tiefen extragalaktischen Feld.
Eine weitere Möglichkeit ist ein aktiver Galaxienkern, dessen Umgebung nur eine schmale Linie liefert, während das eigentliche Zentrum stark verblasst oder verdeckt ist. Denkbar wäre auch, dass eine der drei benachbarten Galaxien eine getrennte Gaswolke anleuchtet und so eine Art Lichtecho erzeugt. Gegen viele dieser Varianten spricht erneut, dass charakteristische Begleitlinien fehlen. Mit nur einer einzigen sicheren Wellenlänge bleibt die Entfernung der Quelle unbestimmt, und genau dadurch lassen sich sehr verschiedene physikalische Szenarien noch nicht sauber voneinander trennen.
Die nächste Beobachtung muss deshalb nicht einfach ein schärferes Bild liefern, sondern ein tieferes Spektrum derselben Himmelsstelle. Weitere Linien würden sofort verraten, welche Atome das Licht erzeugen und welche Rotverschiebung tatsächlich vorliegt; eine erneute Messung könnte zugleich zeigen, ob die Quelle inzwischen verschwunden ist. Bis dahin bleibt im dicht mit Galaxien gefüllten Hubble Ultra Deep Field ausgerechnet jener winzige scheinbar leere Fleck auffällig, an dem NIRSpec zweimal dasselbe schmale Leuchten registrierte.
The Astrophysical Journal, A Single Line Emitter Identified in an Unbiased Search with JWST/NIRSpec: Multiobject Coronagraphy for Slitless Spectroscopy; doi:10.3847/1538-4357/ae9a94
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