An diesem Tag vor drei Jahren waren wir Zeuge der spannende Start des James Webb Space Telescope (JWST), dem größten und leistungsstärksten Teleskop, das jemals von Menschen ins All geschickt wurde.
Der Bau dauerte 30 Jahre, aber in drei kurzen Betriebsjahren hat JWST bereits unsere Sicht auf den Kosmos revolutioniert.
Es hat unser eigenes Sonnensystem erforscht, die Atmosphären entfernter Planeten auf der Suche nach Lebenszeichen untersucht und die tiefsten Tiefen erkundet, um die allerersten Sterne und Galaxien zu finden, die im Universum entstanden sind.
Hier ist, was uns JWST seit seiner Einführung über das frühe Universum gelehrt hat – und die neuen Geheimnisse, die es aufgedeckt hat.
Unheimliche blaue Monster
JWST hat die Grenzen dessen, wie weit wir in das Universum blicken können, um die ersten Sterne und Galaxien zu finden, erweitert. Da die Erdatmosphäre nicht im Weg ist, bietet die Lage im Weltraum perfekte Bedingungen, um mit Infrarotlicht in die Tiefen des Kosmos zu blicken.
Der aktuelle vom JWST bestätigte Rekord für die am weitesten entfernte Galaxie stammt aus einer Zeit, als das Universum war erst etwa 300 Millionen Jahre alt. Überraschenderweise gelang es dieser Galaxie innerhalb dieses kurzen Zeitfensters, etwa 400 Millionen Mal die Masse unserer Sonne zu bilden.
Dies deutet darauf hin, dass die Sternentstehung im frühen Universum äußerst effizient war, und diese Galaxie ist nicht die einzige.
Künstlerische Darstellung, wie eine blaue Galaxie im frühen Universum aussehen würde. ESO/M. Kornmesser.
Wenn Galaxien wachsen, explodieren ihre Sterne und es entsteht Staub. Je größer die Galaxie, desto mehr Staub enthält sie. Dieser Staub lässt Galaxien rot erscheinen, weil er das blaue Licht absorbiert. Aber hier ist der Haken: JWST hat gezeigt, dass diese ersten Galaxien erschreckend hell und massereich sind und sehr blauohne Anzeichen von Staub. Das ist ein echtes Rätsel.
Es gibt viele Theorien, die die seltsame Natur dieser ersten Galaxien erklären. Gibt es riesige Sterne, die aufgrund der Schwerkraft einfach kollabieren, ohne dass es zu massiven Supernova-Explosionen kommt?
Oder gibt es so große Explosionen, dass der gesamte Staub weit von der Galaxie weggeschleudert wird und ein blauer, staubfreier Kern freigelegt wird? Vielleicht wird der Staub durch die intensive Strahlung dieser frühen exotischen Sterne zerstört – wir wissen es nur noch nicht.
Ungewöhnliche Chemie in frühen Galaxien
Die frühen Sterne waren die Schlüsselbausteine dessen, was schließlich zum Leben wurde. Das Universum begann nur mit Wasserstoff, Helium und einer kleinen Menge Lithium. Alle anderen Elemente, vom Kalzium in unseren Knochen bis zum Sauerstoff in der Luft, die wir atmen, wurden in den Kernen dieser Sterne geschmiedet.
JWST hat das herausgefunden Frühe Galaxien weisen auch ungewöhnliche chemische Merkmale auf.
Sie enthalten eine beträchtliche Menge Stickstoff, weit mehr als wir in unserer Sonne beobachten, während die meisten anderen Metalle in geringeren Mengen vorhanden sind. Dies deutet darauf hin, dass im frühen Universum Prozesse im Spiel waren, die wir noch nicht vollständig verstehen.
JWST hat gezeigt, dass unsere Modelle darüber, wie Sterne die chemische Entwicklung von Galaxien vorantreiben, immer noch unvollständig sind, was bedeutet, dass wir die Bedingungen, die zu unserer Existenz geführt haben, immer noch nicht vollständig verstehen.
Kleine Dinge, die das kosmische dunkle Zeitalter beendeten
Mithilfe riesiger Galaxienhaufen als gigantische Vergrößerungsgläser können die empfindlichen Kameras des JWST auch tief in den Kosmos blicken um die schwächsten Galaxien zu finden.
Wir gingen weiter, um den Punkt zu finden, an dem Galaxien so lichtschwach werden, dass sie überhaupt keine Sterne mehr bilden. Dies hilft uns zu verstehen, unter welchen Bedingungen die Galaxienbildung endet.
JWST hat diese Grenze noch nicht gefunden. Es wurden jedoch viele lichtschwache Galaxien entdeckt, weit mehr als erwartet, die mehr als das Vierfache der erwarteten energiereichen Photonen (Lichtteilchen) emittieren.
Die Entdeckung legt nahe, dass diese kleinen Galaxien dabei möglicherweise eine entscheidende Rolle gespielt haben Beendigung des kosmischen „dunklen Zeitalters“ nicht lange nach dem Urknall.
Der mysteriöse Fall der kleinen roten Punkte
Die allerersten Bilder von JWST führten zu einer weiteren dramatischen, unerwarteten Entdeckung. Das frühe Universum wurde von einer Fülle von „kleine rote Punkte„: extrem kompakte rotgefärbte Quellen unbekannter Herkunft.
Ursprünglich dachte man, es handele sich um massereiche superdichte Galaxien, was eigentlich nicht möglich sein sollte, aber detaillierte Beobachtungen im vergangenen Jahr haben eine Kombination aus zutiefst rätselhaften und widersprüchlichen Eigenschaften offenbart.
Helles Wasserstoffgas strahlt Licht mit enormen Geschwindigkeiten von Tausenden von Kilometern pro Sekunde aus, charakteristisch für Gas, das um ein supermassereiches Schwarzes Loch wirbelt.
Dieses Phänomen, das als aktiver galaktischer Kern bezeichnet wird, weist normalerweise auf einen Fressrausch hin, bei dem ein supermassereiches Schwarzes Loch das gesamte Gas um sich herum verschlingt und schnell wächst.
Aber das sind nicht die aktiven Galaxienkerne Ihrer Gartensorte. Erstens emittieren sie keine erkennbare Röntgenstrahlung, wie normalerweise erwartet wird. Noch faszinierender ist, dass sie offenbar die Merkmale von Sternpopulationen aufweisen.
Könnten diese Galaxien gleichzeitig Sterne und aktive Galaxienkerne sein? Oder eine Evolutionsstufe dazwischen? Was auch immer sie sind, die kleinen roten Punkte werden uns wahrscheinlich etwas über die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher und Sterne in Galaxien lehren.
Die unglaublich frühen Galaxien
Neben extrem lebhaften frühen Galaxien, JWST hat auch extrem tote Leichen gefunden: Galaxien im frühen Universum, die Relikte intensiver Sternentstehung im kosmischen Morgengrauen sind.
Diese Leichen wurden von Hubble- und bodengestützten Teleskopen gefunden, aber nur JWST hatte die Macht, ihr Licht zu zerlegen, um herauszufinden, wie lange sie schon tot waren.
Es wurden einige extrem massereiche Galaxien entdeckt (so massereich wie unsere heutige Milchstraße und mehr), die sich in den ersten 700 Millionen Jahren der kosmischen Geschichte gebildet haben. Unsere aktuellen Galaxienentstehungsmodelle können diese Objekte nicht erklären – sie sind zu groß und haben sich zu früh gebildet.
Kosmologen diskutieren immer noch darüber, ob die Modelle angepasst werden können (beispielsweise war die frühe Sternentstehung möglicherweise äußerst effizient) oder ob wir die Natur der Dunklen Materie und die Art und Weise, wie sie zu frühen kollabierenden Objekten führt, überdenken müssen.
JWST wird im nächsten Jahr viele weitere dieser Objekte aufdecken und die vorhandenen genauer untersuchen. So oder so, wir werden es bald wissen.
Was kommt als nächstes für JWST?
Schon bei seinen ersten Schritten hat das Teleskop viele Mängel unserer aktuellen Modelle des Universums aufgedeckt. Während wir unsere Modelle verfeinern, um den Aktualisierungen Rechnung zu tragen, die JWST uns gebracht hat, freuen wir uns am meisten über die unbekannten Unbekannten.
Die geheimnisvollen roten Punkte waren vor unseren Augen verborgen. Was schlummert sonst noch in den Tiefen des Kosmos? JWST wird es uns bald sagen.
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