Winzige helle Objekte, die in der Morgendämmerung des Universums entdeckt wurden, stellen Wissenschaftler vor Rätsel

Eine kürzliche Entdeckung des James Webb-Weltraumteleskops (JWST) der NASA bestätigte, dass zuvor im frühen Universum nachgewiesene leuchtende, sehr rote Objekte die herkömmlichen Vorstellungen über die Entstehung und Entwicklung von Galaxien und ihren supermassiven Schwarzen Löchern auf den Kopf stellen.

Ein internationales Team unter der Leitung von Forschern der Penn State University identifizierte im Rahmen der RUBIES-Umfrage mithilfe des NIRSpec-Instruments an Bord des JWST drei mysteriöse Objekte im frühen Universum, etwa 600–800 Millionen Jahre nach dem Urknall, als das Universum nur 5 % seines heutigen Alters hatte. Sie angekündigt die Entdeckung heute, 27. Juni in Briefe aus astrophysikalischen Zeitschriften.

Das Team untersuchte Spektralmessungen oder die Intensität verschiedener Wellenlängen des von den Objekten ausgestrahlten Lichts. Ihre Analyse ergab Signaturen „alter“ Sterne, die Hunderte Millionen Jahre alt sind und damit viel älter als in einem jungen Universum zu erwarten wäre.

Die Forscher sagten, sie seien auch überrascht gewesen, in denselben Objekten Signaturen riesiger supermassiver Schwarzer Löcher zu entdecken. Sie schätzten, dass diese 100 bis 1.000 Mal massereicher sind als das supermassive Schwarze Loch in unserer eigenen Milchstraße. Keines von beiden ist in aktuellen Modellen des Galaxienwachstums und der Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher zu erwarten. Diese gehen davon aus, dass Galaxien und ihre Schwarzen Löcher im Laufe von Milliarden von Jahren kosmischer Geschichte zusammenwachsen.

„Wir haben bestätigt, dass diese scheinbar voller alter Sterne sind – Hunderte Millionen Jahre alt – in einem Universum, das nur 600 bis 800 Millionen Jahre alt ist. Bemerkenswerterweise halten diese Objekte den Rekord für die frühesten Signaturen alten Sternenlichts“, sagte Bingjie Wang, Postdoktorand an der Pennsylvania State University und Hauptautor der Studie.

„Es war völlig unerwartet, alte Sterne in einem sehr jungen Universum zu finden. Die Standardmodelle der Kosmologie und Galaxienentstehung waren unglaublich erfolgreich, aber diese leuchtenden Objekte passen nicht ganz in diese Theorien.“

Die Forscher entdeckten die massiven Objekte erstmals im Juli 2022, als der erste Datensatz vom JWST veröffentlicht wurde. Das Team veröffentlichte einen Artikel in Natur mehrere Monate später wurde die Existenz der Objekte bekannt gegeben.

Die Forscher vermuteten damals, dass es sich bei den Objekten um Galaxien handelte, führten im Anschluss an ihre Analyse jedoch Spektren durch, um die tatsächlichen Entfernungen der Objekte sowie die Quellen ihres immensen Lichts besser zu verstehen.

Die Forscher nutzten die neuen Daten dann, um ein klareres Bild davon zu zeichnen, wie die Galaxien aussahen und was in ihnen vorkam. Das Team bestätigte nicht nur, dass es sich bei den Objekten tatsächlich um Galaxien aus der Anfangszeit handelte, sondern fand auch Hinweise auf überraschend große supermassive Schwarze Löcher und eine überraschend alte Sternenpopulation.

„Es ist sehr verwirrend“, sagte Joel Leja, Assistenzprofessor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State und Co-Autor beider Arbeiten. „Man kann das unbequem in unser aktuelles Modell des Universums einpassen, aber nur, wenn wir eine exotische, wahnsinnig schnelle Entstehung am Anfang der Zeit heraufbeschwören. Dies ist ohne Zweifel die eigenartigste und interessanteste Ansammlung von Objekten, die ich in meiner Karriere gesehen habe.“

Das JWST ist mit Infrarot-Sensoren ausgestattet, die Licht erkennen können, das von den ältesten Sternen und Galaxien ausgestrahlt wurde. Im Wesentlichen ermöglicht das Teleskop den Wissenschaftlern, etwa 13,5 Milliarden Jahre in die Vergangenheit zu blicken, bis hin zum Beginn des Universums, wie wir es kennen, sagte Leja.

Eine Herausforderung bei der Analyse urzeitlichen Lichts besteht darin, dass es schwierig sein kann, zwischen den Objekttypen zu unterscheiden, die das Licht emittiert haben könnten. Diese frühen Objekte weisen klare Merkmale sowohl supermassiver Schwarzer Löcher als auch alter Sterne auf.

Allerdings sei noch nicht klar, wie viel des beobachteten Lichts von jeder einzelnen Galaxie stamme, erklärte Wang. Das bedeutet, dass es sich um frühe Galaxien handeln könnte, die unerwartet alt und massereicher sind als unsere eigene Milchstraße und die viel früher entstanden sind als die Modelle vorhersagen. Oder es könnten Galaxien mit normaler Masse und „übermassiven“ Schwarzen Löchern sein, die etwa 100 bis 1.000 Mal massereicher sind als eine solche Galaxie heute.

„Die Unterscheidung zwischen dem Licht von Materie, die in ein schwarzes Loch fällt, und dem Licht, das von Sternen in diesen winzigen, weit entfernten Objekten ausgestrahlt wird, ist eine Herausforderung“, sagte Wang. „Die Unfähigkeit, den Unterschied im aktuellen Datensatz zu erkennen, lässt viel Raum für die Interpretation dieser faszinierenden Objekte. Ehrlich gesagt ist es aufregend, dass noch so viel von diesem Mysterium zu lösen ist.“

Abgesehen von ihrer unerklärlichen Masse und ihrem Alter handelt es sich auch nicht um normale supermassive Schwarze Löcher, wenn ein Teil des Lichts tatsächlich von ihnen stammt. Sie produzieren weitaus mehr ultraviolette Photonen als erwartet, und ähnlichen Objekten, die mit anderen Instrumenten untersucht wurden, fehlen die charakteristischen Merkmale supermassiver Schwarzer Löcher, wie heißer Staub und helle Röntgenstrahlung. Aber das vielleicht Überraschendste, so die Forscher, sei, wie massiv sie zu sein scheinen.

„Normalerweise sind supermassive Schwarze Löcher mit Galaxien gepaart“, sagte Leja. „Sie wachsen zusammen auf und durchlaufen alle wichtigen Lebensereignisse gemeinsam. Aber hier haben wir ein voll ausgebildetes, erwachsenes Schwarzes Loch, das in einer Galaxie lebt, die eigentlich eine Babygalaxie sein sollte. Das ergibt keinen Sinn, denn diese Dinge sollten zusammen wachsen, oder zumindest dachten wir das.“

Die Forscher waren auch verblüfft über die unglaublich kleine Größe dieser Systeme, die nur ein paar hundert Lichtjahre im Durchmesser misst und damit etwa 1.000 Mal kleiner ist als unsere eigene Milchstraße. Die Sterne sind etwa so zahlreich wie in unserer eigenen Milchstraße – mit irgendwo zwischen 10 Milliarden und 1 Billion Sternen –, aber in einem Volumen untergebracht, das 1.000 Mal kleiner ist als die Milchstraße.

Leja erklärte, wenn man die Milchstraße auf die Größe der gefundenen Galaxien komprimieren würde, läge der nächstgelegene Stern fast in unserem Sonnensystem. Das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, etwa 26.000 Lichtjahre entfernt, wäre nur etwa 26 Lichtjahre von der Erde entfernt und am Himmel als riesige Lichtsäule sichtbar.

„Diese frühen Galaxien waren so voller Sterne – Sterne, die sich auf eine Weise gebildet haben müssen, die wir noch nie gesehen haben, unter Bedingungen, die wir nie erwartet hätten, und in einer Zeit, in der wir nie erwartet hätten, sie zu sehen“, sagte Leja. „Und aus welchem ​​Grund auch immer hörte das Universum nach nur ein paar Milliarden Jahren auf, solche Objekte zu bilden. Sie sind einzigartig im frühen Universum.“

Die Forscher hoffen, weitere Beobachtungen durchführen zu können, die ihrer Meinung nach helfen könnten, einige der Geheimnisse der Objekte zu klären. Sie planen, tiefere Spektren aufzunehmen, indem sie das Teleskop über längere Zeiträume auf die Objekte richten. Dies wird helfen, die Emissionen von Sternen und dem potenziellen supermassiven Schwarzen Loch zu entwirren, indem die spezifischen Absorptionssignaturen identifiziert werden, die in jedem vorhanden wären.

„Es gibt noch einen anderen Weg, wie wir einen Durchbruch erzielen könnten, und das ist genau die richtige Idee“, sagte Leja. „Wir haben alle diese Puzzleteile und sie passen nur zusammen, wenn wir die Tatsache ignorieren, dass einige davon zerbrechen. Dieses Problem ist einem Geniestreich zugänglich, der uns, allen unseren Mitarbeitern und der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft bisher entgangen ist.“