In einer neuen Studie hat ein internationales Team von Astrophysikern mehrere mysteriöse Objekte entdeckt, die sich in Bildern des James-Webb-Weltraumteleskops verstecken: sechs potenzielle Galaxien, die so früh in der Geschichte des Universums entstanden und so massereich sind, dass sie nach der aktuellen kosmologischen Theorie nicht möglich sein sollten.
Jede der Kandidatengalaxien könnte zu Beginn des Universums etwa 500 bis 700 Millionen Jahre nach dem Urknall oder vor mehr als 13 Milliarden Jahren existiert haben. Sie sind auch gigantisch und enthalten fast so viele Sterne wie die heutige Milchstraße.
„Es sind Bananen“, sagte Erica Nelson, Co-Autorin der neuen Forschung und Assistenzprofessorin für Astrophysik an der University of Colorado Boulder. „Man erwartet einfach nicht, dass sich das frühe Universum so schnell selbst organisieren kann. Diese Galaxien hätten keine Zeit haben sollen, sich zu bilden.“
Nelson und ihre Kollegen, darunter Erstautor Ivo Labbé von der Swinburne University of Technology in Australien, veröffentlichten ihre Ergebnisse am 22. Februar in der Zeitschrift Natur.
Die neuesten Funde sind nicht die frühesten Galaxien, die von James Webb beobachtet wurden, der im Dezember 2021 gestartet wurde und das leistungsstärkste Teleskop ist, das jemals ins All geschickt wurde. Letztes Jahr entdeckte ein anderes Team von Wissenschaftlern vier Galaxien, die wahrscheinlich etwa 350 Millionen Jahre nach dem Urknall aus Gas verschmolzen sind. Diese Objekte waren jedoch im Vergleich zu den neuen Galaxien, die um ein Vielfaches weniger Masse von Sternen enthielten, geradezu garstig.
Die Forscher brauchen noch mehr Daten, um zu bestätigen, dass diese Galaxien so groß sind, wie sie aussehen, und so weit in die Vergangenheit zurückreichen. Ihre vorläufigen Beobachtungen bieten jedoch einen verlockenden Vorgeschmack darauf, wie James Webb Astronomie-Lehrbücher umschreiben konnte.
„Eine andere Möglichkeit ist, dass diese Dinge eine andere Art von seltsamen Objekten sind, wie zum Beispiel schwache Quasare, was genauso interessant wäre“, sagte Nelson.
Unscharfe Punkte
Die Aufregung ist groß: Letztes Jahr bildeten Nelson und ihre Kollegen aus den Vereinigten Staaten, Australien, Dänemark und Spanien ein Ad-hoc-Team, um die Daten zu untersuchen, die James Webb zur Erde zurückschickte.
Ihre jüngsten Ergebnisse stammen aus der Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey des Teleskops. Diese Bilder blicken tief in ein Stück Himmel in der Nähe des Großen Wagens – eine zumindest auf den ersten Blick relativ langweilige Region des Weltraums, die das Hubble-Weltraumteleskop erstmals in den 1990er Jahren beobachtete.
Nelson starrte auf einen briefmarkengroßen Ausschnitt eines Bildes, als sie etwas Seltsames entdeckte: ein paar „verschwommene Lichtpunkte“, die viel zu hell aussahen, um echt zu sein.
„Sie waren so rot und so hell“, sagte Nelson. „Wir hatten nicht damit gerechnet, sie zu sehen.“
Sie erklärte, dass in der Astronomie rotes Licht normalerweise gleich altem Licht ist. Das Universum, sagte Nelson, dehnt sich seit Anbeginn der Zeit aus. Wenn es sich ausdehnt, bewegen sich Galaxien und andere Himmelsobjekte weiter auseinander, und das Licht, das sie aussenden, dehnt sich aus – stellen Sie sich das wie das kosmische Äquivalent von Salzwasser-Toffee vor. Je mehr sich das Licht ausdehnt, desto röter sieht es für menschliche Instrumente aus. (Licht von Objekten, die sich der Erde nähern, sieht dagegen blauer aus).
Das Team führte Berechnungen durch und entdeckte, dass ihre alten Galaxien ebenfalls riesig waren und Dutzende bis Hunderte Milliarden sonnengroße Sterne mit einer Masse von ähnlicher Masse wie die Milchstraße beherbergten.
Diese Urgalaxien hatten jedoch wahrscheinlich nicht viel mit unserer eigenen gemeinsam.
„Die Milchstraße bildet jedes Jahr etwa ein bis zwei neue Sterne“, sagte Nelson. „Einige dieser Galaxien müssten während der gesamten Geschichte des Universums jedes Jahr Hunderte neuer Sterne bilden.“
Nelson und ihre Kollegen wollen mithilfe von James Webb viel mehr Informationen über diese mysteriösen Objekte sammeln, aber sie haben bereits genug gesehen, um ihre Neugier zu wecken. Berechnungen deuten zunächst darauf hin, dass es damals nicht genug normale Materie – die Art, aus der Planeten und menschliche Körper bestehen – hätte geben dürfen, um so schnell so viele Sterne zu bilden.
„Wenn auch nur eine dieser Galaxien real ist, wird sie an die Grenzen unseres Verständnisses der Kosmologie stoßen“, sagte Nelson.
In der Zeit zurücksehen
Für Nelson sind die neuen Erkenntnisse der Höhepunkt einer Reise, die in ihrer Grundschulzeit begann. Als sie 10 Jahre alt war, schrieb sie einen Bericht über Hubble, ein Teleskop, das 1990 gestartet wurde und noch heute aktiv ist. Nelson war süchtig.
„Licht braucht Zeit, um von einer Galaxie zu uns zu gelangen, was bedeutet, dass Sie in der Zeit zurückblicken, wenn Sie diese Objekte betrachten“, sagte sie. „Ich fand dieses Konzept so überwältigend, dass ich in diesem Moment entschied, dass ich das mit meinem Leben machen wollte.“
Das schnelle Entdeckungstempo mit James Webb ähnelt sehr den frühen Tagen von Hubble, sagte Nelson. Damals glaubten viele Wissenschaftler, dass sich Galaxien erst Milliarden von Jahren nach dem Urknall zu bilden begannen. Aber die Forscher entdeckten bald, dass das frühe Universum viel komplexer und aufregender war, als sie es sich hätten vorstellen können.
„Obwohl wir unsere Lektion bereits von Hubble gelernt haben, hatten wir dennoch nicht erwartet, dass James Webb derart reife Galaxien so weit zurück in der Zeit existieren sehen würde“, sagte Nelson. „Ich bin so aufgeregt.“
Weitere Co-Autoren der neuen Studie sind Pieter van Dokkum von der Yale University; Katherine Suess von der University of California, Santa Cruz; Joel Leja, Elijah Matthews und Bingjie Wang von der Pennsylvania State University; Gabriel Brammer und Katherine Whitaker von der Universität Kopenhagen; und Mauro Stefanon von der Universität Valencia.