(Bildnachweis: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez)
In der Wissenschaft heißt es oft, dass die Daten sich nicht darum scheren, was man denkt. Das gilt vor allem, wenn es um hochentwickelte neue Instrumente wie das James Webb Space Telescope (JWST) geht. Daher ist es nicht verwunderlich, dass einige der Daten des JWST nicht ganz den Erwartungen der Wissenschaftler entsprechen.
Im Rahmen der Isaac-Asimov-Gedächtnisdebatte 2024 moderierte der Astrophysiker und Wissenschaftskommunikator Neil DeGrasse Tyson eine Diskussion im National Museum of Natural History in New York. Das Gespräch fand zwischen Wissenschaftlern statt und drehte sich um die Frage, wie die Daten des Teleskops unser grundlegendes Verständnis des Universums verändern könnten. Von Diskrepanzen beim Alter des Universums bis hin zur unerwarteten Helligkeit früher Galaxien hat das James Webb Space Telescope die Wissenschaftler bereits dazu veranlasst, die Funktionsweise des frühen Universums neu zu überdenken, was zu Enthüllungen geführt hat, die in den nächsten zehn oder mehr Jahren, in denen das JWST im Einsatz ist, große Veränderungen in unseren Modellen des Universums auslösen könnten.
Die Daten des Teleskops „zeichnen ein konsistentes und konsistent neues Bild“ des frühen Universums, sagte Mike Boylan-Kolchin, ein theoretischer Astrophysiker an der University of Texas in Austin.
Nur weil es unmöglich war, zu wissen, was das JWST sehen würde, heißt das nicht, dass die Wissenschaftler es nicht versucht haben. Trotzdem war es schwierig. Der wohl schwierigste Teil, so die Diskussionsteilnehmer, bestand darin, grundlegende Parameter zu finden, auf die sie ihre Vorhersagen stützen konnten. Wie Tyson es ausdrückte, sind die Parameter wie „Knöpfe, an denen man dreht“ in Computersimulationen des Universums, die dazu dienen, Ergebnisse auf der Grundlage von Hypothesen zu prognostizieren. Um ein Beispiel zu nennen, beschrieb die Diskussionsteilnehmerin Rachel Somerville, eine leitende Wissenschaftlerin am Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics in New York City, eine Studie, an der sie mitgearbeitet hatte, um vorherzusagen, was JWST sehen würde.
„Wir haben alle Regler in unseren Modellen so eingestellt, dass sie mit dem nahen Universum übereinstimmen“, sagt Somerville. Aber irgendetwas stimmte nicht. „Wir stimmten nicht mit den Beobachtungen überein“, sagte sie. Nach Durchsicht der Daten entdeckten Somerville und ihr Team, dass ihre Vorhersagen genauer wären, wenn sie die höhere Dichte des frühen Universums berücksichtigen würden, das kleiner war als unser heutiges, stärker ausgedehntes Universum, aber die gleiche Menge an Masse enthielt.
Andere Probleme waren nicht so leicht zu lösen. So zeigten beispielsweise viele Beobachtungen des JWST, dass das frühe Universum ein überraschend lebendiger Ort war, mit Galaxien, die viel größer und heller waren als von den Wissenschaftlern vorhergesagt.
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„Ich glaube nicht, dass irgendjemandes Modelle wirklich vorhersagten, wie viel Aktivität es damals gab“, sagte Boylan-Kolchin. Es scheint, als ob „alles schneller passiert, als wir im frühen Universum dachten“.
Der Fall des überraschend aktiven frühen Universums könnte mit einer anderen bekannten Diskrepanz in der Astrophysik zusammenhängen – dem Alter des Universums.
Das Hubble-Weltraumteleskop trug wesentlich dazu bei, den wissenschaftlichen Konsens über das Alter des Universums einzugrenzen – die Spiegel des Teleskops wurden nämlich speziell für die Beobachtung von Sternen, den so genannten Cepheiden, entwickelt, mit deren Hilfe die Astronomen das Alter berechnen können, so Wendy Freedman, Kosmologin an der Universität von Chicago. Die daraus resultierende Messung des Alters des Universums, etwa 13,7 Milliarden Jahre, hat seither Bestand.
Aber wir dürfen nicht vergessen, dass es noch einen anderen Weg gibt, das Alter des Universums zu messen, sagte Boylan-Kolchin.
„Das ist mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund, dem Licht aus den frühesten Phasen des Universums“, sagte er. Mit dieser Methode kamen die Wissenschaftler auf eine etwas größere Zahl – 13,8 Milliarden Jahre. Und obwohl dieser Unterschied nicht riesig erscheint, liegen einige Schätzungen, die Cepheiden verwenden, bei nur 12,8 Milliarden Jahren, so Boylan-Kolchin. Schlimmer noch, niemand weiß, woher die Differenz kommt. „Es ist, als würden wir einen Tunnel auf der anderen Seite eines Berges graben, und wir haben ihn verfehlt“, sagte Freedman.
Leider haben die überraschend leuchtenden frühen Galaxien, die das JWST entdeckt hat, nichts zur Lösung dieses Rätsels beigetragen.
Die Ergebnisse des Teleskops veranlassten Rajendra Gupta, Astrophysiker an der Universität von Ottawa, einen Artikel zu veröffentlichen, in dem er vorschlug, dass das Universum auf der Grundlage der neuen Daten bis zu 26,8 Milliarden Jahre alt sein könnte, etwa doppelt so alt wie die derzeitigen Schätzungen. Die Diskussionsteilnehmer waren sich zwar einig, dass Guptas Vorschlag äußerst unwahrscheinlich ist, doch die Diskrepanz beim Alter des Universums im Allgemeinen deutet darauf hin, dass das kosmologische Standardmodell und unser Verständnis der Auswirkungen dunkler Materie und dunkler Energie auf unser Universum möglicherweise überarbeitet werden müssen.
Es könnte sein, dass „etwas Grundlegendes in unserem derzeitigen Bild fehlt“, sagte Freedman.
Auf der positiven Seite sieht es so aus, als könnten die Daten des JWST mehr als nur Diskrepanzen aufzeigen – sie könnten den Wissenschaftlern helfen, einige grundlegende Fragen der Astronomie zu beantworten, die seit Jahrzehnten bestehen. Das Teleskop wird auch nicht die einzige Technologie sein, die zur Lösung dieser Probleme beiträgt. Neue Hilfsmittel wie künstliche Intelligenz und immer leistungsfähigere Supercomputer könnten dabei helfen; andere Teleskope wie das Giant Magellan Telescope, ein riesiges optisches Teleskop, das derzeit in Chile gebaut wird und dessen Entwicklung Freedman geleitet hat, werden ebenfalls zu den hochwertigen Daten beitragen, die den Wissenschaftlern zur Verfügung stehen. Mit so vielen neuen Instrumenten werden die Menge und die Qualität der Daten beispiellos sein, sagte Priya Natarajan, eine theoretische Astrophysikerin an der Yale University.
„Wir befinden uns mitten in einer Datenrevolution“, sagte sie. „Schon bald werden wir die Modelle und damit unser theoretisches Verständnis stark einschränken“.
