Die Morgenröte des Universums

Das Webb-Weltraumteleskop hat Galaxien entdeckt, die schon 300 bis 500 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind – die ältesten bekannten Sternsysteme überhaupt. Es scheint viel mehr und leuchtkräftigere davon in größeren Distanzen zu geben als bislang angenommen. Bringen sie das Standardmodell der Kosmologie in Erklärungsnot?

Ein Beitrag von Rüdiger Vaas

Seit Mitte 2022 späht das James Webb Space Telescope tiefer ins All hinaus als jedes Teleskop zuvor. Das Observatorium ist so empfindlich, dass es noch Objekte der 31. Helligkeitsklasse ablichten kann. Derart lichtschwach würde ein Leuchtkäfer im Garten erscheinen, wenn man ihn vom Mond aus betrachten könnte. Schon die ersten langbelichteten Infrarotaufnahmen sorgten für eine große Überraschung, denn sie zeigen unerwartet viele junge Galaxien. Diese sind sehr hell, sehr reich an Masse, Gas und schweren Elementen sowie sehr aktiv in der Bildung neuer Sterne. Dass es in so großen Entfernungen bereits so viele solcher Urgalaxien gibt, ist rätselhaft. Es widerspricht den meisten Berechnungen und Vorhersagen im Rahmen des bewährten Standardmodells zur Entwicklung und Zusammensetzung des Weltraums. Schnell war sogar von einer großen Krise die Rede.

Die Vergangenheit im Visier

Ein solcher Vorstoß ins sehr frühe Universum war bislang technisch unmöglich. Denn die elektromagnetische Strahlung extrem weit entfernter und somit sehr junger Galaxien hat aufgrund der Ausdehnung des Weltraums eine enorme Rotverschiebung (z) erfahren; dabei wurden die Wellenlängen also beträchtlich auseinandergezogen. Daher ist die Emission des Lichts der Urgalaxien für uns in den infraroten Bereich des Spektrums gerückt und selbst den empfindlichsten optischen Observatorien, etwa dem Hubble-Weltraumteleskop, spektral gleichsam entglitten. Erst das Webb-Teleskop ist jetzt in der Lage, diese tiefe kosmische Vergangenheit zu erkunden.

Zu seinen wichtigsten wissenschaftlichen Zielen zählt die Beobachtung der Urgalaxien, um die Details ihrer Entstehung, Entwicklung und Zusammensetzung nachzuvollziehen. Dazu gehört auch die Ausbildung der galaktischen Strukturen sowie die Zunahme an schweren Elementen, das heißt der atomaren und chemischen Komplexität. Der Vergleich solcher uralten Systeme mit den viel jüngeren Sterneninseln im lokalen Universum wird letztlich dazu beitragen, unsere eigene galaktische Geschichte zu verstehen. Die Jagd nach den fernsten Galaxien ist also gewissermaßen kosmische Ahnenforschung.

Das Hubble-Teleskop kann noch Infrarotstrahlung bis 1,7 Mikrometer detektieren – und damit im Idealfall Galaxien mit Rotverschiebungen bis zu etwa 11. Das entspricht etwa 420 Millionen Jahren nach dem Urknall, der sich vor 13,8 Milliarden Jahren ereignet hat (vorausgesetzt, das aktuelle kosmologische Standardmodell ist korrekt).

Die Nahinfrarot-Kamera (NIRCam) des Webb-Teleskops erreicht hingegen infrarote Wellenlängen von knapp 5 Mikrometern und vermag somit deutlich höhere z-Werte zu finden als Hubble. Und diese Werte kann der Nahinfrarot-Spektrograf (NIRSpec) auch direkt messen – dank einer raffinierten Technik sogar bis zu 200 gleichzeitig.

Die Jagd nach den fernsten Galaxien

Vor dem Start des Webb-Teleskops war die Galaxie GN-z11 der Distanzrekordhalter. Sie wurde 2015 von einem Team um Pascal Oesch, Universität Genf, mit dem Hubble-Weltraumteleskop entdeckt und hat eine zunächst geschätzte, später von Webb bestätigte Rotverschiebung von ungefähr 11.

Doch gleich im ersten Beobachtungsjahr spürte ein halbes Dutzend internationaler Teams im Rahmen verschiedener Beobachtungstrategien mit dem Webb-Teleskop zahlreiche Galaxien auf, die noch weiter entfernt schienen. Viele davon haben gezielte Nachbeobachtungen und Spektraluntersuchungen inzwischen bestätigt.

„Webb fand erste helle Galaxien binnen weniger Tage, niemand hatte das vorhergesagt“, erinnert sich Micaela Bagley von der University of Texas in Austin. „Alles, was wir sehen, ist neu. Webb zeigt uns, dass es ein reiches Universum gibt, das weit über das hinausgeht, was wir uns vorgestellt haben“, stimmt Tommaso Treu von der University of California in Los Angeles zu. „Wieder einmal hat uns das Universum überrascht. Diese frühen Galaxien sind in vielerlei Hinsicht sehr ungewöhnlich und unterscheiden sich stark von den heutigen Galaxien.“

Das Problem mit den ersten Rekordkandidaten war: Es gab keine Spektren von ihnen, die ihre Rotverschiebung verlässlich anzeigten und somit ihre Entfernung zu errechnen erlaubten. Die Messung solcher Spektren erfordert Zeit.

Inzwischen hat das Webb-Teleskop allerdings einige der Objekte ins Visier genommen und die sehnsüchtig erwarteten Spektren geliefert. Ergebnis: Die Distanzen mancher Kandidaten sind geringer als zunächst vermutet. Andere jedoch befinden sich wirklich in gigantischen Entfernungen – teilweise weiter weg als alle jemals zuvor beobachteten Galaxien.

Himmlische Rekorde purzeln

Zunächst waren die fernsten, spektroskopisch gemessenen und somit klar bestätigten Galaxien GLASS-z12 im Sternbild Bildhauer mit z = 12,1 und JADES-GS-z13-0 im Sternbild Fornax mit z = 13,2. Beide wurden bereits 2022 entdeckt: im Rahmen der GLASS- und JADES-Durchmusterungen (Grism Lens-Amplified Survey from Space, JWST Advanced Deep Extragalactic Survey).

Im Mai 2024 stellte ein Team um Stefano Carniani von der Scuola Normale Superiore im italienischen Pisa JADES-GS-z14-0 im Sternbild Fornax mit z = 14,3 als neuen Rekordhalter vor. Die nur 1.700 Lichtjahre große, aber etwa eine halbe Milliarde Sonnenmassen schwere Urgalaxie hat eine Sternentstehungsrate von rund 25 Sonnenmassen pro Jahr – das 10- bis 20-Fache der Milchstraße.

Ein Jahr später wurde auch dieser Rekord gebrochen. Ein internationales Team um Rohan Naidu vom Massachusetts Institute of Technology im US-amerikanischen Cambridge und Pascal Oesch berichtete nun von der NIRSpec-Messung der erstaunlich leuchtkräftigen Urgalaxie MoM-z14 im Sternbild Sextant. Sie ist rund 100 Millionen Sonnenmassen schwer, aber nur ungefähr 250 Lichtjahre groß. Mit z = 14,4 sehen wir sie aus einer Zeit von bloß 280 Millionen Jahren nach dem Urknall. Das bedeutet eine Lichtlaufzeit von über 13,5 Milliarden Jahren, was aufgrund der kosmischen Expansion seitdem nunmehr einer Distanz von 34 Milliarden Lichtjahren entspricht. (Diese Zahlen hängen, im Gegensatz zum z-Wert, allerdings vom kosmologischen Modell ab!)

MoM-z14 enthält Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium, die von bereits explodierten Riesensternen stammen müssen. Nachgewiesen wurde Kohlenstoff und besonders Stickstoff. Dies und die Kompaktheit dieser Urgalaxie sowie der anderen lässt vermuten, dass es sich um Vorläufer der heute noch verbreiteten Kugelsternhaufen handelt. Und bis zur nächsten Rekord-Entdeckung wird es wohl nicht lange dauern.

Härtetest für die Kosmologie

Die Daten zeigen, dass die Zahl solcher leuchtkräftigen, fernen Urgalaxien mehr als 100-fach so hoch ist, als es vor dem Start des Webb-Teleskops vorausgesagt wurde, betont Naidus Team. Das bringt das kosmologische Standardmodell in Schwierigkeiten, das seit einem Vierteljahrhundert etabliert ist und durch Messungen immer besser bestätigt wurde. Nun sind womöglich mehr oder weniger radikale Modifikationen nötig. Doch keine davon würde – wie mehrfach zu lesen war – die Urknalltheorie direkt widerlegen! Sie hat einen anderen Gegenstandsbereich und betrifft eine noch frühere Zeit.

Zur Problembewältigung lassen sich grob vier Hauptmöglichkeiten unterscheiden. Die Reihenfolge der Aufzählung entspricht dem Maß an Radikalität der Erklärungsversuche.

Daten: Sind sie richtig? Sind sie signifikant? Werden sie korrekt interpretiert?
Astrophysik: Versteht man die etablierten Mechanismen und Modelle der Galaxienbildung hinreichend?
Kosmologie: Ist das Standardmodell gut genug? Und ist es vollständig?
Theorie: Stimmt die Grundlage der Kosmologie, also vor allem die Allgemeine Relativitätstheorie?

Neue Physik?

Bei den letztgenannten beiden Ansätzen wäre sogar eine „neue Physik“ nötig – also die Einführung unbekannter Entitäten oder Naturgesetze. Im Extremfall würde die Relativitätstheorie modifiziert werden: Dann könnte die Gravitationskollaps-Phase im frühen Universum länger gedauert haben oder die Schwerkraft wirkte stärker. Oder das Standardmodell ist falsch oder ergänzungsbedürftig: Dann könnte das Universum älter sein, sodass es mehr Zeit für die Galaxienbildung gehabt hätte. Oder verlief die Sternbildung schneller, falls die Dichteschwankungen im fast gleichförmigen Urgas rascher angewachsen oder größer gewesen wären? Oder verhielt sich die ominöse Dunkle Materie anders als angenommen? Oder gibt es unbekannte Energiefelder, die nur im frühen Universum wirksam waren? Oder haben sich die Naturkonstanten verändert?

Solche radikalen Denkmöglichkeiten werden in zahlreichen seriösen Abhandlungen erörtert, sie erfordern jedoch bessere und zusätzliche Indizien. Außerdem sind sie meist schwer mit den kosmologischen Präzisionsmessungen zu vereinbaren. Daher ist wissenschaftstheoretisch eine konservative Strategie geboten: Die überzeugendste Erklärung wäre so sparsam wie möglich und so wenig radikal wie nötig.

Vordrängler oder mehr Licht durch Schwarze Löcher?

Blick in den Kosmos mit abgebildeter Galaxienstrahlung — Tiefster Blick in den Kosmos: Die abgebildete Strahlung des Galaxienhaufens SMACS J0723.3–7327 im Sternbild Fliegender Fisch am Südsternhimmel war rund 4,2 Milliarden Jahre zu uns unterwegs (Rotverschiebung 0,39) – das entspricht fast dem Alter der Erde. Im Hintergrund, in der Druckauflösung kaum sichtbar, gibt es Urgalaxien aus einer Zeit, in der das Universum sogar weniger als 700 Millionen Jahre alt war. Die insgesamt 12,5 Stunden belichtete Infrarotaufnahme des James Webb Space Telescope zeigt einen Himmelsausschnitt, der so winzig ist wie ein Sandkorn, das eine Armlänge entfernt betrachtet wird. | © NASA, ESA, CSA, STScI

Wie valide ist die Interpretation der Webb-Daten? Sind die hellen Urgalaxien unproblematische Ausreißer? Dagegen spricht die hohe Zahl der aufgespürten Exemplare. Zwar gab und gibt es – nicht verwunderlich bei einem neuen Instrument – Messfehler und Schwierigkeiten bei der Eichung. Doch die Daten haben sich überwiegend als recht robust erwiesen und die Statistik wurde immer besser.

Auch erscheint eine Urgalaxie zuweilen heller, als sie in Wirklichkeit ist, wenn sich zwischen ihr und uns zufällig noch eine andere, unbemerkte Galaxie befindet. Solche Vordränger sind jedoch selten, wie sich inzwischen zeigte.

Vielleicht stammt die hohe Leuchtkraft der Urgalaxien gar nicht allein von Sternen, sondern auch von der heißen Umgebung supermassereicher Schwarzer Löcher, die viel Gas verschlingen. Solche Phänomene waren in den ersten Milliarden Jahre sehr häufig und existieren zuweilen auch heute noch. Aber das Heranwachsen eines viele Millionen Sonnenmassen schweren Schwarzen Lochs erfordert Zeit. Zudem gibt es nicht beliebig viel Materie in seinem Einzugsbereich, und es kann nur eine begrenzte Masse pro Zeiteinheit verschlingen. Außerdem sprechen weder die Spektraleigenschaften noch die Fotos der meisten von Webb beobachteten Urgalaxien für diese Erklärung. Es ist jedoch denkbar, dass Schwarze Löcher bereits im Urknall entstanden sind – und womöglich heute die Dunkle Materie im All bilden, ohne dass dafür exotische Elementarteilchen erforderlich wären. Das wäre eine Sensation.

Superschnelle Sternbildung

„Es ist möglich, dass die ersten Galaxien effizienter Sterne gebildet haben, als wir dachten, und somit heller und leichter zu entdecken sind“, überlegt Steven Finkelstein von der University of Texas in Austin. Dafür hat Joe M. McCaffrey von der Maynooth University in Irland mit seinem Team Indizien gefunden: Die Resultate neuer Computersimulationen, die sowohl räumlich als auch in der Masseverteilung signifikant höhere Auflösungen haben als vorige, stehen zum Teil „in exzellenter Übereinstimmung“ mit dem kosmologischen Standardmodell, berichtet das Team. Demnach sind die Galaxien schnell aus den winzigen Dichteschwankungen im Urgas herangewachsen und formten rasant viele leuchtkräftige Sterne.

Dass solche Starbursts die Helligkeit, Häufigkeit und Ultravioletteigenschaften der beobachteten Urgalaxien gut reproduzieren können, zeigte ein Team um Guochao Sun und Claude-André Faucher-Giguère von der Northwestern University in Evanston, Illinois, mithilfe robuster Simulationen ohne spezielle Feinabstimmungen. „Die Systeme müssen gar nicht so massereich gewesen sein“, meint Sun. „Wenn die Sternbildung in Bursts erfolgt, wird schnell viel Licht freigesetzt.“

Eine Krise gäbe es, wenn künftige Messungen beweisen würden, dass die Urgalaxien mehr leuchtende Masse besitzen, als sie dem Standardmodell zufolge haben dürfen. Denn die Obergrenze der Gesamtmasse des Alls ist recht genau bekannt.

Wie dem auch sei: Der Vorstoß in die Frühlingszeit des Universums hat erst begonnen. Das Webb-Teleskop wird bald für viele weitere Überraschungen sorgen.

Headerbild | © NASA, ESA, CSA, STScI, A. Pagan (STScI)

Rüdiger Vaas

ist Publizist, Dozent sowie Astronomie- und Physik-Redakteur beim Monatsmagazin bild der wissenschaft und Autor von 15 Büchern, darunter Jenseits von Einsteins Universum (Nikol 2025).

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