Mit dem Start des James-Webb-Weltraumteleskops können Astronomen nun so weit in die Vergangenheit blicken, dass wir uns der Epoche nähern, in der unserer Meinung nach die ersten Galaxien entstanden sind. Während des größten Teils der Geschichte des Universums tendierten Galaxien scheinbar dazu, einem engen Zusammenhang zwischen der Anzahl der von ihnen gebildeten Sterne und der Anzahl der von ihnen gebildeten schweren Elemente zu folgen.
Aber zum ersten Mal sehen wir jetzt Anzeichen dafür, dass dieser Zusammenhang zwischen der Menge an Sternen und Elementen für die frühesten Galaxien nicht gilt. Der Grund ist wahrscheinlich, dass diese Galaxien einfach im Entstehungsprozess sind und noch nicht die Zeit hatten, die schweren Elemente zu erzeugen.
Im Universum wimmelt es von Galaxien – riesigen Ansammlungen von Sternen und Gas – und wenn wir tief in den Kosmos blicken, sehen wir sie nah und fern. Da das Licht mehr Zeit damit verbracht hat, uns zu erreichen, je weiter eine Galaxie entfernt ist, blicken wir im Wesentlichen durch die Zeit zurück und können so eine visuelle Erzählung ihrer Entwicklung im Laufe der Geschichte des Universums konstruieren.
Beobachtungen haben uns gezeigt, dass Galaxien in den letzten 12 Milliarden Jahren – also 5/6 des Alters des Universums – ihr Leben in einer Form des Gleichgewichts gelebt haben: Es scheint einerseits eine grundlegende, enge Beziehung zwischen ihnen zu geben wie viele Sterne sie gebildet haben und andererseits, wie viele schwere Elemente sie gebildet haben. Unter „schweren Elementen“ versteht man in diesem Zusammenhang alles, was schwerer als Wasserstoff und Helium ist.
Dieser Zusammenhang ist sinnvoll, da das Universum ursprünglich nur aus diesen beiden leichtesten Elementen bestand. Alle schwereren Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen wurden später von den Sternen erzeugt.
James Webb blickt tiefer
Die allerersten Galaxien sollten daher von schweren Elementen „unverschmutzt“ sein. Doch so weit zurück in die Vergangenheit konnten wir bis vor Kurzem nicht blicken. Der Grund dafür ist nicht nur die große Entfernung, sondern auch, dass das Licht umso röter wird, je länger es durch den Raum wandert. Für die am weitesten entfernten Galaxien muss man bis in den Infrarotbereich des Spektrums blicken, und erst mit der Einführung von James Webb hatten wir ein Teleskop, das groß und empfindlich genug war, um bisher sehen zu können.
Und das Weltraumteleskop enttäuschte nicht: Mehrere Male hat James Webb seinen eigenen Rekord für die am weitesten entfernte Galaxie gebrochen, und nun scheint es endlich, dass wir die Epoche erreichen, in der einige der allerersten Galaxien entstanden sind.
In einer neuen Studie, veröffentlicht am 21. September in der Zeitschrift Naturastronomieein Team von Astronomen des dänischen Forschungszentrums Cosmic Dawn Center am Niels-Bohr-Institut und DTU Space in Kopenhagen, hat scheinbar tatsächlich einige der allerersten Galaxien entdeckt, die sich noch im Entstehungsprozess befinden.
„Bis vor kurzem war es nahezu unmöglich zu untersuchen, wie die ersten Galaxien im frühen Universum entstehen, da wir einfach nicht über die entsprechende Instrumentierung verfügten. Mit dem Start von James Webb hat sich das nun völlig geändert“, sagt Kasper Elm Heintz , Leiter der Studie und Assistenzprofessor am Cosmic Dawn Center.
Die grundlegende Beziehung bricht zusammen
Der Zusammenhang zwischen der gesamten Sternmasse der Galaxie und der Menge an schweren Elementen ist etwas komplexer. Es gibt auch eine Aussage darüber, wie schnell die Galaxie neue Sterne produziert. Aber wenn man das korrigiert, erhält man eine schöne, lineare Beziehung: Je massereicher die Galaxie, desto mehr schwere Elemente.
Doch dieser Zusammenhang wird nun durch neueste Beobachtungen in Frage gestellt.
„Als wir das Licht von 16 dieser ersten Galaxien analysierten, stellten wir fest, dass sie deutlich weniger schwere Elemente enthielten, als man aufgrund ihrer Sternmassen und der Menge an neuen Sternen, die sie produzierten, erwarten würde“, sagt Kasper Elm Heintz.
Tatsächlich stellte sich heraus, dass die Galaxien im Durchschnitt viermal weniger schwere Elemente enthielten als das spätere Universum. Diese Ergebnisse stehen in krassem Gegensatz zum aktuellen Modell, bei dem sich Galaxien während des größten Teils der Geschichte des Universums in einer Form des Gleichgewichts entwickeln.
Durch Theorien vorhergesagt
Das Ergebnis ist allerdings nicht völlig überraschend. Theoretische Modelle der Galaxienentstehung, die auf detaillierten Computerprogrammen basieren, sagen etwas Ähnliches voraus. Aber jetzt haben wir es gesehen.
Die von den Autoren in dem Artikel vorgeschlagene Erklärung besteht einfach darin, dass wir Zeuge von Galaxien im Entstehungsprozess sind. Die Schwerkraft hat die ersten Gasklumpen gesammelt, die begonnen haben, Sterne zu bilden.
Würden die Galaxien dann ungestört weiterleben, würden die Sterne sie schnell mit schweren Elementen anreichern. Aber zwischen den Galaxien befanden sich damals große Mengen an frischem, unverschmutztem Gas, das schneller zu den Galaxien strömte, als die Sterne mithalten konnten.
„Das Ergebnis gibt uns den ersten Einblick in die frühesten Stadien der Galaxienentstehung, die offenbar enger mit dem Gas zwischen den Galaxien verbunden zu sein scheinen, als wir dachten.“
„Dies ist eine der ersten Beobachtungen von James Webb zu diesem Thema, daher warten wir immer noch darauf, was uns die größeren, umfassenderen Beobachtungen, die derzeit durchgeführt werden, sagen können.“
„Es besteht kein Zweifel, dass wir in Kürze ein viel klareres Verständnis darüber haben werden, wie Galaxien und die ersten Strukturen in den ersten Milliarden Jahren nach dem Urknall ihre Entstehung begannen“, schließt Kasper Elm Heintz.
Mehr Informationen:
Kasper E. Heintz et al., Verdünnung der chemischen Anreicherung in Galaxien 600 Millionen Jahre nach dem Urknall, Naturastronomie (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-02078-7