Ist das das Bremslicht eines Autos? Die brennende Spitze einer Zigarette vielleicht? Oder ein extrem vergrößertes Foto der Standby-Taste eines Fernsehers? Ordnen Sie die verschwommenen roten Klumpen aus kantigen Pixeln den Mitte Juli veröffentlichten spektakulären Bildern des James Webb-Weltraumteleskops zu, Bilder von anmutig aufgefächerten Nebeln und messerscharfen Galaxien, und Sie werden bald die Achseln zucken.
Und doch sind es genau diese verschwommenen Flecken, die heute, viel mehr als die faszinierenden kosmischen Ausblicke, die früher die Schlagzeilen machten, unter Astronomen weltweit für zunehmende Aufregung sorgen.
Wenn die ersten Anzeichen nicht täuschen, enthüllen diese Sammlungen roter Pixel die entferntesten Galaxien, die die Menschheit je gesehen hat. Die Galaxien, die Sie hier sehen – extrem junge Varianten der Milchstraße, in der wir unser kosmisches Leben verbringen – wurden mit der Kamera festgehalten, wie sie nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall erschienen. Und während das nach menschlichen Maßstäben lang klingt, verblasst diese Zeit im Vergleich zu den fast 14 Milliarden Jahren, die das Universum existiert. Die Systeme auf dem Foto sind, kurz gesagt, sehr jung. Einige gehören möglicherweise sogar zu den allerersten Galaxien, die im Universum erscheinen.
Diese kosmischen Babyfotos lassen einen wunderbar eintauchen in die bezaubernd tiefe Zeit des Alls, schwindelerregend lange Zeitspannen, die Menschenleben verblassen lassen. Dennoch sind diese Galaxien nicht nur verträumte Entdeckungen oder amüsante Ergänzungen der astronomischen Rekordbücher. Nein, sie sind auch von erheblichem wissenschaftlichem Interesse.
Tatsächlich können solch sehr junge Galaxien die Entwicklung dieser kosmischen Objekte enthüllen. Vergleichen Sie es mit Biologen, die bisher nur die erwachsenen Exemplare einer Tierart gesehen haben und dann plötzlich die Babyphase entdecken. Ob das Leben in einem Ei begann, als zappelnde kleine Version des erwachsenen Tieres, oder ob Sie eine Raupe sehen, bevor sie sich zum Schmetterling entwickelt: Es macht einen Unterschied.
Genauso ist es im Kosmos. Und wenn die ersten zaghaften Funde nicht täuschen, zeichnen sich bereits jetzt mehrere Anzeichen dafür ab, dass Astronomen die vorherrschende Ansicht über die Entwicklung dieser Galaxien vom Moment des Urknalls bis heute bald korrigieren müssen.
„Es ist wirklich unglaublich, was die internationale Gemeinschaft in den ersten zwei Wochen seit Veröffentlichung dieser Daten bereits herausgefunden hat“, sagt die Astronomin Mariska Kriek von der Universität Leiden. „Wir wussten bereits, dass James Webb bahnbrechende Dinge enthüllen würde. Aber jetzt sehen wir es wirklich. Und es wird Sie bestimmt nicht enttäuschen.“
Niedrig hängende Frucht
Das James-Webb-Weltraumteleskop, das neue Flaggschiff der internationalen Astronomie, ist der „Nachfolger“ des Hubble-Weltraumteleskops und wurde unter anderem gebaut, um tiefer als je zuvor in den Kosmos zu blicken. Deshalb schaut er nicht auf „normales“ Licht, sondern auf für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung. Licht, das aus der Tiefe des Weltraums kommt, wird entlang des Weges gedehnt. Was vor langer Zeit sichtbares Licht war – mit einer kürzeren Wellenlänge –, trifft hier also als Wärmestrahlung ein, die eine längere Wellenlänge hat.
Um diese Wärmestrahlung aus den kosmischen Tiefen zu holen, ist der Boden des Teleskops mit einem Sonnenschutz von der Größe eines Tennisplatzes bedeckt, der es kalt hält. Unter anderem deshalb ist Webb so empfindlich, dass er, wenn er auf der Erde wäre, die Wärmestrahlung einer Hummel auf der Mondoberfläche messen könnte.
Dass diese astronomische Supermacht zu spektakulären Entdeckungen führen würde, war klar. Und doch gehen Astronomen auf der ganzen Welt von einer Überraschung zur nächsten, seit das Teleskop seine Daten sammelt. „Ich glaube, keiner von uns hätte vorhergesehen, dass wir so viele Galaxien in so großer Entfernung sehen würden. Wir haben einige Überraschungen erwartet, aber nicht so schnell oder so drastisch“, sagte der Astronom Guido Roberts-Borsani von der University of California letzte Woche. gegen die populärwissenschaftliche Wochenzeitung Neuer Wissenschaftler.
„Wir pflücken bereits die tief hängenden Früchte“, fasst Kriek diese ersten Wochen zusammen. Und obwohl es viel mehr und vor allem viel schönere Früchte gibt, als Astronomen zu hoffen wagten, geht es jetzt vor allem darum, hart zu arbeiten: möglichst viele Messdaten zu analysieren, alles sauber aufzuzeichnen und in Fachartikeln zu beschreiben .
Es ist noch nicht an der Zeit, die Spreu vom Weizen zu trennen. „Deshalb müssen wir sehr vorsichtig sein“, warnt die Astronomin Karina Caputi von der Universität Groningen, eine Expertin auf dem Gebiet weit entfernter Galaxien. Alle Ergebnisse, die in den ersten zwei Wochen veröffentlicht wurden, wurden bisher nur auf der wissenschaftlichen Vorveröffentlichungsseite Arxiv veröffentlicht. Erst wenn andere Astronomen diese Artikel kritisch studiert und als zufriedenstellend bewertet haben – sogenanntes Peer Review –, landen sie in den Mainstream-Journalen. Und selbst dann sind wir noch nicht ganz am Ziel, sagt Caputi. „Die Entfernung muss für all diese Galaxien noch bestätigt werden.“
Rotverschiebung
Experten wie Caputi bestimmen die Entfernung entfernter Galaxien anhand der sogenannten Rotverschiebung, ein Fachbegriff, der sich darauf bezieht, dass entfernte Galaxien röter erscheinen als nähere.
Das stimmt. Aufgrund der Expansion des Universums entfernen sich entfernte Galaxien schneller von uns. Licht, das sich von Ihnen wegbewegt, ändert seine Farbe wie die Sirene eines rasenden Krankenwagens ihren Ton ändert. Und was Ton ist, ist Farbe, was Licht ist: Deshalb erscheinen sich schneller bewegende und damit weiter entfernte Galaxien röter als nähere.
Für die erste, grobe Entfernungsbestimmung schauen Astronomen einfach, wie rot die Galaxien sind. Nur: Manchmal zieht man versehentlich die falschen Schlüsse. „Eine Galaxie, die von viel Staub umgeben ist, kann aufgrund ihrer Entfernung manchmal röter werden, als sie sollte“, sagt Caputi.
Zur Bestätigung müssen Sie sich die jetzt gefundenen extrem weit entfernten Galaxien auf etwas andere, genauere Weise noch einmal ansehen. Wenn es beispielsweise möglich ist, ein Spektrum eines solchen Systems zu erstellen – eine Signatur der Farben, die im Licht eines solchen Systems vorhanden sind –, kann man die Rotverschiebung sehr genau bestimmen, und man kennt die Entfernung sicher.
„Ich denke daher, dass wir für die zweite Beobachtungsrunde, die voraussichtlich Anfang 2023 starten wird, viele Anfragen erhalten werden, Verifizierungsmessungen an extrem weit entfernten Systemen durchzuführen“, sagt Kriek, der in einem der Panels aktiv war Beobachtungszeit auf dem James Webb. „Für diese erste Messreihe hatten wir etwa viermal so viele Anfragen wie Beobachtungszeit zur Verfügung stand. Ich denke, die Konkurrenz wird von jetzt an nur noch größer werden.“
Geradezu erstaunlich
Die Funde der ersten fernen Galaxien sind nicht nur zahlreich überraschend, auch die Entfernungen selbst sind zum Teil einfach erstaunlich. Wenn die entfernteste Galaxie, die Hubble je gesehen hat, eine Rotverschiebung von 11 hatte, was einem Alter von etwa 400 Millionen Jahren nach dem Urknall entspricht, haben die Daten von James Webb bereits Dutzende von Kandidaten weit darüber hinaus identifiziert.
Zum Beispiel am 19. Juli roter Fleck GLASS-z13 auf, mit einer geschätzten Rotverschiebung von 13. Dies wird den Rekord – wenn der Fund hält – sofort um etwa 100 Millionen Jahre schärfen. Spektakulär, wäre da nicht die Tatsache, dass James Webb in letzter Zeit immer wieder seine eigenen Rekorde bricht.
Schauen Sie sich nur den brennenden Aschepunkt von „Maisie’s Galaxy“ an, benannt nach der Tochter des Entdeckers, bei einer Rotverschiebung von 14. Oder nein, hey, stop: Es gibt wieder zwei Systeme mit einer Rotverschiebung von 16. Eine Forschungsgruppe hat letzte Woche plötzlich sogar Systeme gefunden bei einer Rotverschiebung von 20ungefähr 180 Millionen Jahre nach dem Urknall. Es ist die vorläufige Aufzeichnung.
Caputi geht davon aus, dass es schwierig sein wird, diesen Rekord noch viel weiter zu brechen. „In dieser Zeit entstanden die allerersten Galaxien“, sagt sie. Allerdings sind immer mehr Galaxien am Himmel auch immer weniger hell. „Also wird es immer schwieriger, sie zu sehen.“
Bleibt die Frage, ob das, was wir jetzt sehen, echt ist oder ob es sich um eine rotfarbige Täuschung handelt. „Wenn sogar 20 Prozent der Galaxien tatsächlich bei der gemeldeten Rotverschiebung liegen, ist das ein starker Beweis dafür, dass sich diese Arten von Galaxien sehr früh und sehr schnell bilden und sehr schnell sehr massereich und hell werden“, sagte Astronom Rohan Naidu vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysik dazu Neuer Wissenschaftler. Es muss also ziemlich schwierig werden, wenn die aktuellen Erkenntnisse nicht in der Zukunft belassen werden sollen.
Darüber hinaus sagt Caputi: „Die Bilder, in denen diese Galaxien gefunden wurden, sind bei weitem nicht die tiefsten, die James Webb vom Universum machen wird. Wenn ich daran denke, was wir vielleicht in sechs Monaten gesehen haben… Ach du lieber Gott‚.
Massiver, regelmäßiger, seltsamer
Die ersten Ergebnisse des James-Webb-Weltraumteleskops heben nicht nur die extrem weit entfernten Galaxien hervor. Also suggeriert eine neue Studie dass einige Galaxien früher als erwartet viele Sterne und Masse ansammeln. „Wenn das stimmt, müssen wir wirklich zurück zum Reißbrett“, sagt Astronomin Mariska Kriek. Kollegin Karina Caputi hält davon allerdings wenig. „Sie verwenden eine neue Analysemethode, die noch nicht ausreichend erprobt ist“, sagt sie.
Das ist das Problem bei solchen Studien: Sie sind schnell aufgeschrieben und der kritische Check der Kollegen fehlt noch. Dennoch zeigen sie die Art von Erkenntnissen, die Webb liefern kann. So entdeckt eine Gruppe eher scheibenförmige Systeme als vorher, der andere das Galaxien sind kompakter als Vorgänger Hubble sah, und ein dritter enthüllt eine seltsame, atypische Galaxie, die fast keine schweren Elemente enthält. Es ist die Spitze eines immer größer werdenden Berges von Veröffentlichungen, die das Bild der Entwicklung von Galaxien kippen können. Und dann müssen die Messungen zum Beispiel der Atmosphären entfernter Planeten größtenteils noch beginnen.
„Es ist wie in einem Theater, und bisher konnte man das Universum nur durch die Ritzen im Vorhang sehen“, sagt Kriek. „Mit Webb öffneten sich diese Vorhänge. Jetzt sehen wir plötzlich die ganze Bühne.“