26. August 2024:  JWST findet, dass frühe Galaxien doch nicht zu gross waren

Es wurde die Krise der Kosmologie genannt. Aber jetzt können Astronomen einige überraschende jüngste Entdeckungen erklären.

Als Astronomen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA ihre ersten Blicke auf Galaxien im frühen Universum erhaschten,
erwarteten sie, galaktische Winzlinge zu finden, doch stattdessen stießen sie auf etwas, das wie eine Schar olympischer Bodybuilder aussah.
Einige Galaxien schienen so schnell so massereich geworden zu sein, dass Simulationen sie nicht erklären konnten.
Einige Forscher vermuteten, dass dies bedeuten könnte, dass mit der Theorie, die erklärt, woraus das Universum besteht und wie es sich seit
dem Urknall entwickelt hat, etwas nicht stimmt, das als Standardmodell der Kosmologie bekannt ist.
(Laut einer neuen Studie im Astronomical Journal).

Unter der Leitung der Doktorandin Katherine Chworowsky von der University of Texas in Austin sind einige dieser frühen Galaxien tatsächlich
viel weniger massereich, als sie zuerst erschienen. Schwarze Löcher in einigen dieser Galaxien lassen sie viel heller und größer erscheinen,
als sie tatsächlich sind.

„Wir sehen immer noch mehr Galaxien als vorhergesagt, obwohl keine von ihnen so massiv ist, dass sie das Universum ‚zerbrechen‘ würde“,
sagte Chworowsky.

Der Beweis wurde von Webbs Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey geliefert,
geleitet von Steven Finkelstein, Professor für Astronomie an der UT Austin und Co-Autor der Studie.


Bild A: CEERS Deep Field (NIRCam):


Bild: NASA (maximale Auflösung)

Dieses Bild zeigt einen kleinen Teil des Feldes, das von der NIRCam (Near-Infrared Camera) des James Webb Space Telescope der NASA
für die Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS)-Durchmusterung beobachtet wurde.
Es ist voller Galaxien. Einige Galaxien scheinen so schnell so massereich geworden zu sein, dass Simulationen sie nicht erklären konnten.
Eine neue Studie kommt jedoch zu dem Ergebnis, dass einige dieser frühen Galaxien tatsächlich viel weniger massereich sind, als sie ursprünglich erschienen.
Schwarze Löcher in einigen dieser Galaxien lassen sie viel heller und größer erscheinen, als sie tatsächlich sind.
NASA, ESA, CSA, S. Finkelstein (Universität von Texas)


Schwarze Löcher erhöhen die Helligkeit

Laut dieser neuesten Studie beherbergen die Galaxien, die übermäßig massereich erschienen, wahrscheinlich Schwarze Löcher, die schnell Gas verbrauchen.
Durch die Reibung im sich schnell bewegenden Gas werden Wärme und Licht emittiert, wodurch diese Galaxien viel heller werden,
als wenn dieses Licht nur von Sternen ausgehen würde.
Dieses zusätzliche Licht kann den Eindruck erwecken, dass die Galaxien viel mehr Sterne enthalten und daher massereicher sind, als wir sonst vermuten würden.
Wenn Wissenschaftler diese Galaxien, die aufgrund ihrer roten Farbe und geringen Größe als „kleine rote Punkte“ bezeichnet werden, aus der Analyse entfernen,
sind die verbleibenden frühen Galaxien nicht zu massereich, um in die Vorhersagen des Standardmodells zu passen.

„Unter dem Strich gibt es also keine Krise im Hinblick auf das Standardmodell der Kosmologie“, sagte Finkelstein.
„Jedes Mal, wenn man eine Theorie hat, die sich so lange bewährt hat, braucht man überwältigende Beweise, um sie wirklich zu verwerfen.
Und das ist einfach nicht der Fall.“


Effiziente Sternenfabriken

Obwohl sie das Hauptdilemma gelöst haben, bleibt ein weniger heikles Problem bestehen:
In Webbs Daten des frühen Universums gibt es immer noch etwa doppelt so viele massereiche Galaxien, wie vom Standardmodell erwartet.
Ein möglicher Grund könnte sein, dass sich Sterne im frühen Universum schneller bildeten als heute.

„Vielleicht waren Galaxien im frühen Universum besser darin, Gas in Sterne zu verwandeln“, sagte Chworowsky.

Sternentstehung entsteht, wenn heißes Gas so weit abkühlt, dass es der Schwerkraft unterliegt und zu einem oder mehreren Sternen kondensiert.
Wenn sich das Gas jedoch zusammenzieht, erwärmt es sich und erzeugt einen Druck nach außen.
In unserer Region des Universums führt das Gleichgewicht dieser gegensätzlichen Kräfte dazu, dass der Prozess der Sternentstehung sehr langsam verläuft.
Einigen Theorien zufolge war es jedoch möglicherweise schwieriger, Gas während der Sternentstehung auszublasen,
weil das frühe Universum dichter war als heute, sodass der Prozess schneller ablaufen konnte.


Weitere Hinweise auf Schwarze Löcher

Gleichzeitig haben Astronomen die Spektren analysiert von „kleinen roten Punkten“, die mit Webb entdeckt wurden,
wobei Forscher sowohl des CEERS-Teams als auch anderer Hinweise auf sich schnell bewegendes Wasserstoffgas fanden,
ein Zeichen für Akkretionsscheiben von Schwarzen Löchern.
Dies stützt die Annahme, dass zumindest ein Teil des Lichts, das von diesen kompakten, roten Objekten ausgeht, von Gas stammt,
das um Schwarze Löcher wirbelt, und nicht von Sternen, was die Schlussfolgerung von Chworowsky und ihrem Team untermauert,
dass sie wahrscheinlich nicht so massereich sind, wie die Astronomen zunächst dachten.
Es stehen jedoch weitere Beobachtungen dieser faszinierenden Objekte an, die dazu beitragen sollen, das Rätsel zu lösen,
wie viel Licht von Sternen im Vergleich zu Gas um Schwarze Löcher kommt.

In der Wissenschaft führt die Beantwortung einer Frage oft zu neuen Fragen. Während Chworowsky und ihre Kollegen gezeigt haben,
dass das Standardmodell der Kosmologie wahrscheinlich nicht gebrochen ist,
weisen ihre Arbeiten auf die Notwendigkeit neuer Ideen zur Sternentstehung hin.

„Und so besteht immer noch dieses Gefühl der Intrige“, sagte Chworowsky.
„Nicht alles ist vollständig verstanden. Das macht den Spaß an dieser Art von Wissenschaft aus, denn es wäre ein furchtbar langweiliges Gebiet,
wenn eine Arbeit alles herausfinden würde oder es keine weiteren Fragen mehr gäbe, die beantwortet werden müssten.“
Das James Webb-Weltraumteleskop ist das führende Weltraumobservatorium der Welt.


Webb löst Rätsel in unserem Sonnensystem, blickt über die fernen Welten um andere Sterne hinaus und erforscht die mysteriösen Strukturen und
Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin.
Webb ist ein internationales Programm, das von der NASA mit ihren Partnern ESA (European Space Agency)
und CSA (Canadian Space Agency) geleitet wird.