Der James Webb-Weltraumteleskop (JWST) ist das größte und leistungsstärkste bisher gebaute Weltraumteleskop. Seit seiner Einführung im Dezember 2021 hat es bahnbrechende Erkenntnisse geliefert. Dazu gehört das Entdecken der früheste und entfernteste bekannte Galaxiendie nur 300 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte.
Auch entfernte Objekte sind sehr alt, da es lange dauert, bis das Licht dieser Objekte Teleskope erreicht. JWST hat nun eine Reihe dieser sehr frühen Galaxien gefunden. Wir blicken gewissermaßen in der Zeit auf diese Objekte zurück und sehen sie so, wie sie kurz nach der Geburt des Universums aussahen.
Diese Beobachtungen des JWST stimmen mit unserem aktuellen Verständnis der Kosmologie – der wissenschaftlichen Disziplin, die darauf abzielt, das Universum zu erklären – und der Galaxienbildung überein. Aber sie offenbaren auch Aspekte, mit denen wir nicht gerechnet haben. Viele dieser frühen Galaxien leuchten viel heller als wir erwarten würden, da sie nur kurze Zeit nach dem Urknall existierten.
Es wird angenommen, dass hellere Galaxien mehr Sterne und mehr Masse haben. Es wurde angenommen, dass für die Sternentstehung dieses Ausmaßes viel mehr Zeit erforderlich sei. Diese Galaxien haben auch aktiv wachsende Schwarze Löcher in ihren Zentren – ein Zeichen dafür, dass diese Objekte nach dem Urknall schnell heranreiften. Wie können wir diese überraschenden Erkenntnisse erklären? Brechen sie unsere Vorstellungen von der Kosmologie oder erfordern sie eine Änderung des Alters des Universums?
Wissenschaftler konnten diese frühen Galaxien untersuchen, indem sie die detaillierten Bilder des JWST mit seinen leistungsstarken Fähigkeiten zur Spektroskopie kombinierten. Spektroskopie ist eine Methode zur Interpretation der elektromagnetischen Strahlung, die von Objekten im Weltraum emittiert oder absorbiert wird. Dies wiederum kann Aufschluss über die Eigenschaften eines Objekts geben.
Unser Verständnis der Kosmologie und Galaxienentstehung beruht auf einigen grundlegenden Ideen. Eines davon ist das kosmologische Prinzip, das besagt, dass das Universum im Großen und Ganzen homogen (überall gleich) und isotrop (in alle Richtungen gleich) ist. Kombiniert mit Einsteins Theorie der Allgemeinen RelativitätstheorieDieses Prinzip ermöglicht es uns, die Entwicklung des Universums – wie es sich ausdehnt oder zusammenzieht – mit seinem Energie- und Massengehalt in Verbindung zu bringen.
Das kosmologische Standardmodell, bekannt als „Hot Big Bang“-Theorie, umfasst drei Hauptkomponenten oder Zutaten. Die eine ist die gewöhnliche Materie, die wir mit unseren Augen in Galaxien, Sternen und Planeten sehen können. Ein zweiter Bestandteil ist kalte dunkle Materie (CDM), sich langsam bewegende Materieteilchen, die kein Licht emittieren, absorbieren oder reflektieren.
Die dritte Komponente ist die sogenannte kosmologische Konstante (Λ oder Lambda). Dies hängt mit der sogenannten dunklen Energie zusammen und ist eine Möglichkeit, die Tatsache zu erklären, dass die Die Expansion des Universums beschleunigt sich. Zusammen bilden diese Komponenten das sogenannte ΛCDM-Modell der Kosmologie.
Dunkle Energie macht etwa 68 % des gesamten Energieinhalts des heutigen Universums aus.
Obwohl dunkle Materie mit wissenschaftlichen Instrumenten nicht direkt beobachtbar ist, wird angenommen, dass sie den größten Teil der Materie im Kosmos ausmacht und etwa 27 % der Gesamtmasse und des Energiegehalts des Universums ausmacht.
Während dunkle Materie und dunkle Energie weiterhin rätselhaft bleiben, wird das ΛCDM-Modell der Kosmologie durch eine Vielzahl detaillierter Beobachtungen gestützt. Dazu gehört die Messung der Ausdehnung des Universums, die kosmischer Mikrowellenhintergrund oder CMB (das „Nachleuchten“ des Urknalls) und die Entwicklung von Galaxien und ihre großräumige Verteilung – zum Beispiel die Art und Weise, wie sich Galaxien zusammenballen.
Das ΛCDM-Modell legt den Grundstein für unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Galaxien. Zum Beispiel das CMB, das etwa 380.000 Jahre später emittiert wurde der Urknallliefert eine Momentaufnahme früher Dichteschwankungen, die im frühen Universum auftraten. Diese Schwankungen, insbesondere in der Dunklen Materie, führten schließlich zu den Strukturen, die wir heute beobachten, wie Galaxien und Sterne.
Wie Sterne entstehen
Die Entstehung von Galaxien besteht aus komplexen Prozessen, die von zahlreichen verschiedenen physikalischen Phänomenen beeinflusst werden. Einige dieser Mechanismen sind noch nicht vollständig geklärt, beispielsweise welche Prozesse steuern, wie sich Gas in Galaxien abkühlt und kondensiert, um Sterne zu bilden.
Die Auswirkungen von Supernovae, Sternwinden und Schwarzen Löchern, die erhebliche Energiemengen aussenden (manchmal auch „…“ genannt). aktive galaktische Kerne oder AGN) können alle Gas aus Galaxien erhitzen oder ausstoßen. Dies wiederum kann die Sternentstehung fördern oder bremsen und somit das Wachstum von Galaxien beeinflussen.
Die Effizienz und der Umfang dieser „Feedback-Prozesse“ sowie ihre kumulativen Auswirkungen im Laufe der Zeit sind kaum bekannt. Sie stellen eine erhebliche Unsicherheitsquelle in mathematischen Modellen oder Simulationen der Galaxienentstehung dar.
In den letzten zehn Jahren wurden erhebliche Fortschritte bei komplexen numerischen Simulationen der Galaxienentstehung erzielt. Erkenntnisse und Hinweise können immer noch aus einfacheren Simulationen und Modellen gewonnen werden, die die Sternentstehung mit der Entwicklung von Halos aus dunkler Materie in Verbindung bringen. Diese Halos sind massive, unsichtbare Strukturen aus dunkler Materie, die Galaxien effektiv in ihnen verankern.
Eines der einfacheren Modelle der Galaxienentstehung geht davon aus, dass die Geschwindigkeit, mit der sich in einer Galaxie Sterne bilden, direkt vom Gas abhängt, das in diese Galaxien strömt. Dieses Modell legt auch nahe, dass die Sternentstehungsrate in einer Galaxie proportional zur Geschwindigkeit ist, mit der Halos aus dunkler Materie wachsen. Es geht von einer festen Effizienz bei der Umwandlung von Gas in Sterne aus, unabhängig von der kosmischen Zeit.
Das Modell der „konstanten Sternentstehungseffizienz“. Dies steht im Einklang mit der dramatischen Zunahme der Sternentstehung in den ersten Milliarden Jahren nach dem Urknall. Das schnelle Wachstum von Halos aus dunkler Materie in diesem Zeitraum hätte die notwendigen Voraussetzungen dafür geschaffen, dass Galaxien effizient Sterne bilden könnten. Trotz seiner Einfachheit hat dieses Modell eine Vielzahl realer Beobachtungen erfolgreich vorhergesagt, einschließlich der Gesamtrate der Sternentstehung über die kosmische Zeit hinweg.
Geheimnisse der ersten Galaxien
JWST hat eine neue Ära der Entdeckung eingeläutet. Mit seinen fortschrittlichen Instrumenten kann das Weltraumteleskop sowohl detaillierte Bilder als auch hochauflösende Spektren aufnehmen – Diagramme, die die Intensität elektromagnetischer Strahlung zeigen, die von Objekten am Himmel emittiert oder absorbiert wird. Für JWST liegen diese Spektren im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Die Untersuchung dieser Region ist von entscheidender Bedeutung für die Beobachtung früher Galaxien, deren optisches Licht sich im Zuge der Ausdehnung des Universums in den nahen Infrarotbereich (oder „Rotverschiebung“) verwandelt hat.
Rotverschiebung beschreibt, wie die Wellenlängen des Lichts von Galaxien auf ihrer Reise gedehnt werden. Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto größer ist ihre Rotverschiebung.
In den letzten zwei Jahren hat JWST Galaxien mit Rotverschiebungen mit Werten zwischen zehn und 15 identifiziert und charakterisiert. Diese Galaxiendie etwa 200–500 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind, sind für Galaxien relativ klein (etwa 100 Parsec oder 3 Billiarden Kilometer im Durchmesser). Sie bestehen jeweils aus etwa 100 Millionen Sternen und bilden mit einer Rate von etwa einem sonnenähnlichen Stern pro Jahr neue Sterne.
Das klingt zwar nicht sehr beeindruckend, bedeutet aber, dass diese Systeme ihren Sternengehalt innerhalb von nur 100 Millionen Jahren verdoppeln. Zum Vergleich: Unsere eigene Milchstraße braucht etwa 25 Milliarden Jahre, um ihre Sternmasse zu verdoppeln.
Frühe Galaxienentstehung
Die überraschenden Erkenntnisse des JWST über helle Galaxien bei hohen Rotverschiebungen oder Entfernungen könnten darauf hindeuten, dass diese Galaxien nach dem Urknall schneller heranreiften als erwartet. Dies ist wichtig, da es bestehende Modelle der Galaxienentstehung in Frage stellen würde. Das oben beschriebene Modell der konstanten Sternentstehungseffizienz erklärt zwar einen Großteil dessen, was wir sehen, hat aber Schwierigkeiten, die große Anzahl heller und entfernter Galaxien zu erklären, die mit einer Rotverschiebung von mehr als zehn beobachtet werden.
Um dieses Problem anzugehen, untersuchen Wissenschaftler verschiedene Möglichkeiten. Dazu gehören Änderungen an ihren Theorien darüber, wie effizient Gas im Laufe der Zeit in Sterne umgewandelt wird. Sie überdenken auch die relative Bedeutung der Rückkopplungsprozesse – wie Phänomene wie Supernovae und Schwarze Löcher auch zur Regulierung der Sternentstehung beitragen.
Einige Theorien deuten darauf hin, dass die Sternentstehung im frühen Universum möglicherweise intensiver oder „ausufernder“ war als bisher angenommen, was zu dem führte schnelles Wachstum dieser frühen Galaxien und ihrer scheinbaren Helligkeit.
Andere schlagen vor, dass verschiedene Faktoren, wie geringere Mengen an galaktischem Staub, eine kopflastige Verteilung der Sternmassen oder Beiträge von Phänomenen wie aktiven Schwarzen Löchern, für die unerwartete Helligkeit dieser frühen Galaxien verantwortlich sein könnten.
Diese Erklärungen führen zu Änderungen in der Galaxienentstehungsphysik, um die Ergebnisse des JWST zu erklären. Aber Wissenschaftler haben auch über Modifikationen allgemeiner kosmologischer Theorien nachgedacht. Beispielsweise könnte die Häufigkeit früher, heller Galaxien teilweise durch eine Veränderung des sogenannten Materieleistungsspektrums erklärt werden. Dies ist eine Möglichkeit, Dichteunterschiede im Universum zu beschreiben.
Ein möglicher Mechanismus zur Erzielung dieser Änderung im Leistungsspektrum der Materie ist ein theoretisches Phänomen namens „frühe dunkle Energie“. Dies ist die Idee, dass eine neue kosmologische Energiequelle mit Ähnlichkeiten zur Dunklen Energie in frühen Zeiten existiert haben könnte, und zwar bei einer Rotverschiebung von 3.000. Das war vor der Emission des CMB und nur 380.000 Jahre nach dem Urknall.
Diese frühe dunkle Energie wäre nach dem als Rekombination bekannten Entwicklungsstadium des Universums schnell zerfallen. Interessanterweise könnte die frühe Dunkle Energie auch die Hubble-Spannung lindern – eine Diskrepanz zwischen verschiedenen Schätzungen der Alter des Universums.
Ein Artikel wurde 2023 veröffentlicht schlug vor, dass die Galaxienfunde des JWST von Wissenschaftlern verlangten, das Alter des Universums um mehrere Milliarden Jahre zu verlängern.
Allerdings könnten auch andere Phänomene für die hellen Galaxien verantwortlich sein. Bevor die Beobachtungen des JWST genutzt werden, um Änderungen an allgemeinen Vorstellungen der Kosmologie herbeizuführen, ist ein detaillierteres Verständnis der physikalischen Prozesse in Galaxien unerlässlich.
Der aktuelle Rekordhalter für die am weitesten entfernte Galaxie – identifiziert vom JWST – ist namens JADES-GS-z14-0. Die bisher gesammelten Daten deuten darauf hin, dass diese Galaxien eine große Vielfalt unterschiedlicher Eigenschaften aufweisen.
Einige Galaxien weisen Anzeichen dafür auf, dass sie Schwarze Löcher beherbergen, die Energie aussenden, während andere offenbar darauf hinweisen, dass sie junge, staubfreie Sternpopulationen beherbergen. Da diese Galaxien lichtschwach sind und ihre Beobachtung teuer ist (die Belichtung dauert mehrere Stunden), wurden bisher nur 20 Galaxien mit einer Rotverschiebung von mehr als zehn mit der Spektroskopie beobachtet, und es wird Jahre dauern, eine statistische Stichprobe zu erstellen.
Ein anderer Anstellwinkel könnte Beobachtungen von Galaxien in späteren kosmischen Zeiten sein, als das Universum 1 bis 2 Milliarden Jahre alt war (Rotverschiebungen zwischen drei und neun). Die Fähigkeiten des JWST ermöglichen Forschern den Zugriff auf entscheidende Indikatoren von Sternen und Gas in diesen Objekten, die zur Eingrenzung der gesamten Geschichte der Galaxienentstehung genutzt werden können.
Das Universum zerstören?
Im ersten Betriebsjahr des JWST wurde behauptet, dass einige der frühesten Galaxien extrem hohe Sternmassen (die Massen der in ihnen enthaltenen Sterne) hätten und dass eine Änderung der Kosmologie erforderlich sei, um helle Galaxien aufzunehmen, die im sehr frühen Universum existierten. Sie wurden sogar synchronisiert „Universumsbrecher“-Galaxien.
Bald darauf war klar, dass diese Galaxien das Universum nicht zerstören, ihre Eigenschaften jedoch durch eine Reihe unterschiedlicher Phänomene erklärt werden können. Bessere Beobachtungsdaten zeigten, dass die Entfernungen zu einigen der Objekte überschätzt wurden (was zu einer Überschätzung ihrer Sternmassen führte).
Die Lichtemission dieser Galaxien kann von anderen Quellen als Sternen angetrieben werden, beispielsweise von akkretierenden Schwarzen Löchern. Annahmen in Modellen oder Simulationen können auch zu Verzerrungen bei der Gesamtmasse der Sterne in diesen Galaxien führen.
Während JWST seine Mission fortsetzt, wird es Wissenschaftlern dabei helfen, ihre Modelle zu verfeinern und einige der grundlegendsten Fragen zu unserem kosmischen Ursprung zu beantworten. Es sollte noch mehr Geheimnisse über die frühesten Tage des Universums enthüllen, einschließlich des Rätsels dieser hellen, fernen Galaxien.
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