Wie riesige Babygalaxien unser Verständnis des frühen Universums erschüttern

„Schau dir das an“, sagt Ericas Nachricht. Sie brütet über den allerersten Bildern des brandneuen James Webb Space Telescope (JWST).

Es ist Juli 2022, kaum eine Woche nachdem diese ersten Bilder des revolutionären Superteleskops veröffentlicht wurden. Fünfundzwanzig Jahre in der Entwicklung, hundert- bis tausendmal leistungsstärker als jedes vorherige Teleskop, eines der größten und ehrgeizigsten wissenschaftlichen Experimente in der Geschichte der Menschheit: Es ist schwer, nicht in Superlativen zu sprechen, und es ist alles wahr.

Der Bau des Teleskops dauerte Jahrzehnte, da es faltbar gemacht werden musste, um auf eine Rakete zu passen und in die Kälte des Weltraums geschickt zu werden, 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Hier, weit weg vom Hitzeglühen der Erde, kann JWST das schwächste Infrarotlicht aus dem fernen Universum erkennen.

Ich wusste nicht, dass sich unter den Bildern ein kleiner roter Punkt befindet, der unser Verständnis darüber erschüttern wird, wie sich die ersten Galaxien nach dem Urknall gebildet haben. Nach monatelanger Analyse haben meine Kollegen und ich einfach veröffentlichte unsere Ergebnisse in Natur.

Jagd auf neue Arten von Galaxien

Erica und ich sind auf der Suche nach neuen Arten von Galaxien. Galaxien, die das ehrwürdige Hubble-Weltraumteleskop selbst nach Jahrzehnten der Vermessung des Himmels übersehen hatte.

Sie und ich gehen 15 Jahre zurück. Wir lernten uns kennen, als sie im ersten Jahr an einem kalifornischen College für freie Künste studierte und ich frisch promovierte. Direkt von der Universität, beginne ich gerade meinen ersten Auftritt als Forscherin in Los Angeles. JWST war nur ein entferntes Gerücht.

Irgendwie haben sich unsere Wege viele Jahre später wieder gekreuzt, und jetzt befinden sich Assistenzprofessorin Erica Nelson von der University of Colorado und ich an der Spitze des Speeres, der die ersten Daten eines sehr realen JWST angreift.

„UFOs“, nennt sie die neuen Galaxien, und ich kann ein riesiges Grinsen zwischen den Zeilen lesen: „ultrarote abgeflachte Objekte“, weil sie alle wie fliegende Untertassen aussehen. Auf den Farbbildern erscheinen sie sehr rot, weil das gesamte Licht im Infrarotbereich austritt, während die Galaxien bei Wellenlängen unsichtbar sind, die Menschen sehen können.

Infrarot ist die Superkraft von JWST, die es ihm ermöglicht, die entferntesten Galaxien auszuspionieren. Ultraviolettes und sichtbares Licht von den ersten Sternen und Galaxien, die nach dem Urknall entstanden sind, wird durch die Ausdehnung des Universums gestreckt, während es auf uns zukommt, sodass wir es, wenn das Licht uns erreicht, als Infrarotlicht sehen.

Unglaublich frühe, unglaublich massereiche Galaxien

Alle Galaxien von Erica sehen aus wie Untertassen, bis auf eine. Ich starre auf den kleinen roten Punkt auf dem Bildschirm. Das ist kein UFO. Und dann fällt mir ein: Das ist etwas ganz anderes. Viel wichtiger.

Ich lasse die Analysesoftware auf dem kleinen Nadelstich laufen und er spuckt zwei Zahlen aus: Entfernung 13,1 Milliarden Lichtjahre, Masse 100 Milliarden Sterne, und ich spucke fast meinen Kaffee aus. Wir haben gerade das Unmögliche entdeckt. Unglaublich frühe, unglaublich massereiche Galaxien.

In dieser Entfernung brauchte das Licht 13 Milliarden Jahre, um uns zu erreichen, also sehen wir die Galaxien zu einer Zeit, als das Universum nur 700 Millionen Jahre alt war, kaum 5 % seines heutigen Alters von 13,8 Milliarden Jahren. Wenn das stimmt, hat diese Galaxie so viele Sterne gebildet wie unsere heutige Milchstraße. In Rekordzeit.

Und wo einer ist, da sind mehr. Einen Tag später hatte ich sechs gefunden.

Das fehlende Glied der Astronomie?

Könnten wir das fehlende Glied der Astronomie entdeckt haben? Bei der Entstehung von Galaxien gibt es seit langem ein Rätsel. Wenn wir in den Weltraum und zurück in die Zeit blicken, sehen wir rund 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall die „Leichen“ voll ausgebildeter, reifer Galaxien, die scheinbar aus dem Nichts auftauchen.

Diese Galaxien haben aufgehört, Sterne zu bilden. Tote Galaxien nennen wir sie, und einige Astronomen sind von ihnen besessen. Das stellare Alter dieser toten Galaxien legt nahe, dass sie sich viel früher im Universum gebildet haben müssen, aber Hubble war nie in der Lage, ihre früheren, lebenden Stadien zu erkennen.

Frühe tote Galaxien sind wirklich bizarre Kreaturen, die so viele Sterne wie die Milchstraße enthalten, aber 30-mal kleiner sind. Stellen Sie sich einen Erwachsenen vor, der 100 Kilo wiegt, aber 6 cm groß ist. Genauso bizarr sind unsere kleinen roten Punkte. Sie sehen aus wie Babyversionen derselben Galaxien, die ebenfalls 100 Kilo wiegen und eine Höhe von 6 cm haben.

Zu viele Sterne, zu früh

Es gibt jedoch ein Problem. Diese kleinen roten Punkte haben zu früh zu viele Sterne. Sterne entstehen aus Wasserstoffgas, und die fundamentale kosmologische („Urknall“) Theorie macht harte Vorhersagen darüber, wie viel Gas zur Bildung von Sternen zur Verfügung steht.

Um diese Galaxien so schnell zu produzieren, braucht man fast das gesamte Gas im Universum, um sich mit einer Effizienz von nahezu 100 % in Sterne zu verwandeln. Und das ist sehr schwer, was der wissenschaftliche Ausdruck für unmöglich ist. Diese Entdeckung könnte unser Verständnis davon verändern, wie sich die frühesten Galaxien im Universum gebildet haben.

Die Implikation ist, dass es einen anderen Kanal gibt, eine Überholspur, die Monstergalaxien sehr schnell und sehr effizient produziert. Ein schneller Weg für die oberen 1 %.

Jeder dieser Kandidaten kann gewissermaßen als „schwarzer Schwan“ bezeichnet werden. Die Bestätigung auch nur eines würde unser derzeitiges „Alle Schwäne sind weiß“-Modell der Galaxienentstehung ausschließen, in dem alle frühen Galaxien langsam und allmählich wachsen.

Überprüfung der Fingerabdrücke

Der erste Schritt zur Lösung dieses Rätsels besteht darin, die Entfernungen durch Spektroskopie zu bestätigen, bei der wir das Licht jeder dieser Galaxien durch ein Prisma schicken und es in seinen regenbogenähnlichen Fingerabdruck aufteilen. Dies zeigt uns die Entfernung mit einer Genauigkeit von 0,1 % an.

Es wird uns auch sagen, was das Licht erzeugt, ob es Sterne oder etwas anderes Exotischeres sind.

Zufällig hatte JWST vor etwa einem Monat bereits eine der sechs massereichen Kandidatengalaxien ins Visier genommen, und es stellte sich heraus, dass es sich um einen fernen Babyquasar handelte. Ein Quasar ist ein Phänomen, das auftritt, wenn Gas in ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie fällt und hell zu leuchten beginnt.

Das ist einerseits sehr spannend, weil der Ursprung von supermassiven Schwarzen Löchern in Galaxien ebenfalls nicht verstanden wird und das Auffinden von Baby-Quasaren möglicherweise nur den Schlüssel enthält. Andererseits können Quasare ihre gesamte Heimatgalaxie überstrahlen, sodass es unmöglich ist zu sagen, wie viele Sterne es gibt und ob die Galaxie wirklich so massiv ist.

Könnte das die Antwort für alle sein? Babyquasare überall? Wahrscheinlich nicht, aber es wird ein weiteres Jahr dauern, die verbleibenden Galaxien zu untersuchen und es herauszufinden.

Ein schwarzer Schwan runter, fünf noch.

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