Webb liefert überraschende Erkenntnisse über das frühe Universum

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Das James-Webb-Weltraumteleskop von NASA, ESA und CSA hat sich erneut selbst übertroffen und sein Versprechen eingelöst, die Grenzen des beobachtbaren Universums näher an den kosmischen Ursprung heranzurücken. Dies gelang durch die Bestätigung einer hellen Galaxie, die 280 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte.

Mittlerweile hat Webb bewiesen, dass es praktisch jeden in diesen frühen Jahren gesetzten Meilenstein übertreffen wird. Die neu bestätigte Galaxie MoM-z14 birgt faszinierende Hinweise auf die historische Chronologie des Universums und darauf, wie sehr sich das frühe Universum von den Erwartungen der Astronomen unterschied.

Galaxie MoM-z14 — Die Galaxie mit der Bezeichnung MoM-z14 ist derzeit die am weitesten entfernte Galaxie, die jemals entdeckt wurde. Sie wurde von der NIRCam (Nahinfrarotkamera) des James-Webb-Weltraumteleskops entdeckt und mit dem NIRSpec-Instrument (Nahinfrarotspektrograph) spektroskopisch bestätigt. – Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, R. Naidu (MIT), Image Processing: J. DePasquale (STScI)

„Mit Webb können wir weiter sehen als je zuvor, und es sieht völlig anders aus als vorhergesagt. Das ist gleichermaßen herausfordernd wie spannend“, sagte Rohan Naidu vom Kavli-Institut für Astrophysik und Weltraumforschung des Massachusetts Institute of Technology (MIT), Hauptautor einer im Open Journal of Astrophysics veröffentlichten Studie über die Galaxie MoM-z14.

Aufgrund der Expansion des Universums, die durch Dunkle Energie angetrieben wird, gestaltet sich die Diskussion über physikalische Entfernungen und Zeiträume in so großer Entfernung schwierig. Mithilfe des NIRSpec-Instruments (Near-Infrared Spectrograph) des Webb-Teleskops bestätigten Astronomen, dass MoM-z14 eine kosmologische Rotverschiebung von 14,44 aufweist [1]. Das bedeutet, dass das Licht der Galaxie etwa 13,5 der geschätzten 13,8 Milliarden Jahre des Universums durch den expandierenden Raum reist, dabei gedehnt und zu längeren, rötlicheren Wellenlängen verschoben wird.

„Wir können die Entfernung von Galaxien anhand von Bildern abschätzen, aber es ist wirklich wichtig, dies mit detaillierteren Spektroskopiemessungen zu überprüfen und zu bestätigen, damit wir genau wissen, was wir sehen und wann“, sagte Pascal Oesch von der Universität Genf in der Schweiz, Co-Projektleiter der Studie.

Faszinierende Merkmale

MoM-z14 gehört zu einer wachsenden Gruppe überraschend heller Galaxien im frühen Universum – 100 Mal heller als in theoretischen Studien vor dem Start des Webb-Teleskops vorhergesagt, so das Forschungsteam.

„Es gibt eine wachsende Kluft zwischen Theorie und Beobachtung im Hinblick auf das frühe Universum, die spannende Fragen für die Zukunft aufwirft“, sagte Jacob Shen, Postdoktorand am MIT und Mitglied des Forschungsteams.

Ein Ansatzpunkt für die Forschung und Theoretiker ist die älteste Sternpopulation der Milchstraße. Ein kleiner Prozentsatz dieser Sterne weist hohe Stickstoffkonzentrationen auf, die auch in einigen Webb-Beobachtungen früher Galaxien, darunter MoM-z14, sichtbar werden.

„Wir können uns ein Beispiel an der Archäologie nehmen und diese uralten Sterne in unserer eigenen Galaxie wie Fossilien aus dem frühen Universum betrachten. In der Astronomie haben wir jedoch das Glück, dank des Webb-Teleskops so weit ins All sehen zu können, dass wir auch direkte Informationen über Galaxien aus dieser Zeit besitzen. Es zeigt sich, dass wir einige der gleichen Merkmale beobachten, wie beispielsweise diese ungewöhnliche Stickstoffanreicherung“, sagte Naidu.

Da die Galaxie MoM-z14 nur 280 Millionen Jahre nach dem Urknall entstand, reichte die Zeit nicht aus, damit Sterngenerationen derart hohe Stickstoffmengen produzieren konnten, wie Astronomen es erwarten würden. Eine Theorie der Forscher besagt, dass die dichte Umgebung des frühen Universums zur Entstehung supermassereicher Sterne führte, die mehr Stickstoff produzieren konnten als alle im lokalen Universum beobachteten Sterne.

Die Galaxie MoM-z14 zeigt zudem Anzeichen dafür, dass sich der dichte, ursprüngliche Wasserstoffnebel des frühen Universums in ihrer Umgebung auflöst. Einer der Gründe, warum Webb ursprünglich gebaut wurde, war die Bestimmung des Zeitrahmens für diese „Aufklärungsphase” der kosmischen Geschichte, die Astronomen als Reionisierung bezeichnen. In dieser Zeit erzeugten frühe Sterne Licht mit genügend Energie, um das dichte Wasserstoffgas des frühen Universums zu durchdringen und sich durch den Raum auszubreiten, bis es schließlich Webb und uns erreichte. Die Galaxie MoM-z14 liefert einen weiteren Anhaltspunkt für die Kartierung des Zeitrahmens der Reionisierung, eine Arbeit, die erst möglich wurde, als Webb den Schleier über dieser Ära des Universums lüftete.

Das Vermächtnis der Entdeckungen setzt sich fort

Schon vor dem Start von Webb gab es Hinweise darauf, dass im frühen Universum etwas völlig Unerwartetes passiert war, als das Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA 400 Millionen Jahre nach dem Urknall die helle Galaxie GN-z11 entdeckte. Webb bestätigte die Entfernung der Galaxie – damals die entfernteste, die jemals gemessen wurde.. Seitdem hat Webb seine Forschung immer weiter in Raum und Zeit ausgedehnt und dabei weitere überraschend helle Galaxien wie GN-z11 gefunden.

Da Webb weiterhin diese unerwartet leuchtstarken Galaxien entdeckt, wird deutlich, dass die ersten Funde kein Zufall waren. „Es ist eine unglaublich spannende Zeit. Webb enthüllt das frühe Universum wie nie zuvor und zeigt uns, wie viel es noch zu entdecken gibt“, ergänzt Yijia Li, Doktorandin an der Pennsylvania State University und Mitglied des Forschungsteams.

Anmerkungen

[1] Das Universum expandiert, und diese Expansion dehnt das Licht im Raum – ein Phänomen, das als kosmologische Rotverschiebung bekannt ist. Je größer die Rotverschiebung, desto größer ist die Strecke, die das Licht zurückgelegt hat.

Hintergrundinformationen

Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All geschickt wurde. Im Rahmen eines internationalen Kooperationsabkommens stellte die ESA den Startdienst für das Teleskop mit der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Anpassungen der Ariane 5 für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte auch den Spektrografen NIRSpec und 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI zur Verfügung, das von einem Konsortium national finanzierter europäischer Institute (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der University of Arizona entwickelt und gebaut wurde.

Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (CSA).

Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, R. Naidu (MIT), Bildbearbeitung: J. DePasquale (STScI)