NASA’s James Webb Space Telescope ist in der Lage, die am weitesten entfernten und am stärksten rotverschobenen Galaxien aufzuspüren, die jemals gesehen wurden und die existierten, als das Universum gerade einmal 200-400 Millionen Jahre alt war.(Bildnachweis: NASA/ESA/CSA/J. Olmsted (STScI)/S. Carniani (Scuola Normale Superiore)/JADES-Kollaboration)
Das James Webb Space Telescope (JWST) hat in einer Galaxie, die wir so sehen, wie sie nur 350 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte, den am weitesten entfernten Kohlenstoff aller Zeiten entdeckt.
Die Entdeckung ist nicht nur deshalb bemerkenswert, weil es sich um den ältesten bekannten Kohlenstoff handelt, sondern auch, weil es das erste Mal ist, dass ein Element, das schwerer ist als Wasserstoff oder Helium – was die Astronomen als „Metalle“ bezeichnen – im sehr frühen Universum nachgewiesen wurde.
„Frühere Forschungen deuteten darauf hin, dass sich Kohlenstoff erst relativ spät in großen Mengen bildete – etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall“, sagte Roberto Maiolino vom Kavli Institute of Astronomy an der Universität Cambridge in England in einer Erklärung. „Aber wir haben herausgefunden, dass sich Kohlenstoff viel früher gebildet hat – er könnte sogar das älteste Metall überhaupt sein.
Der Wasserstoff und das Helium im Universum wurden im Ofen des Urknalls geboren, aber abgesehen von einer kleinen Menge Lithium mussten alle anderen Elemente darauf warten, von Sternen zu stammen. Kernfusionsreaktionen in diesen Sternen erzeugen Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff usw., während die rohe Energie einer Supernova-Explosion viele andere, noch schwerere Elemente erzeugen kann, ebenso wie Neutronensternverschmelzungen.
Viele dieser Elemente, insbesondere Kohlenstoff, sind für die Entstehung von Planeten und Leben, wie wir es kennen, von entscheidender Bedeutung, aber es brauchte viele Generationen von Sternen, bis sich genug Kohlenstoff und andere Metalle gebildet hatten, um in so großen Entfernungen nachweisbar zu sein und in der kosmischen Chemie von Nutzen zu sein.
Die Entdeckung von Kohlenstoff durch das JWST in der Galaxie GS-z12 – die bei einer Rotverschiebung von 12,5 zu finden ist, was einer Rückblickzeit von 13,4 Milliarden Jahren entspricht – deutet jedoch darauf hin, dass die Sterne während der Entstehungszeit des Kosmos schnell lebten. Viele Generationen müssen in rascher Folge gekommen und gegangen sein, um in so kurzer Zeit nachweisbare Mengen an Kohlenstoff zu bilden. (Der Urknall fand vor etwa 13,8 Milliarden Jahren statt.)
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„Wir waren überrascht, Kohlenstoff so früh im Universum zu sehen, da man dachte, dass die frühesten Sterne viel mehr Sauerstoff als Kohlenstoff produzierten“, sagte Maiolino. „Wir dachten, dass Kohlenstoff erst viel später durch ganz andere Prozesse angereichert wurde, aber die Tatsache, dass er so früh auftaucht, zeigt uns, dass die allerersten Sterne ganz anders funktioniert haben könnten.“
GS-z12 ist eine kompakte Galaxie mit geringer Masse im Vergleich zu unserer eigenen Milchstraße, aber sie ist relativ massereich für die frühe Zeit, in der wir sie finden, eine Zeit, die von kleinen, aber schnell wachsenden Galaxien bevölkert war.
„Sie ist nur ein Embryo einer Galaxie, wenn wir sie beobachten, aber sie könnte sich zu etwas ziemlich Großem entwickeln, etwa in der Größe der Milchstraße“, sagte Francesco D’Eugenio vom Kavli-Institut, der die Forschung leitete.
Die Entdeckung von Kohlenstoff in einer so frühen Phase verändert möglicherweise unser Wissen über den Verlauf der kosmischen Chemie. Kohlenstoff ist ein wesentlicher Bestandteil kosmischer Staubkörner, die sich zu größeren Objekten zusammenballen – zu Asteroiden, Planetestimalen und schließlich zu den Planeten selbst. Man geht davon aus, dass die Erde größtenteils aus kohlenstoffhaltigen Objekten aufgebaut wurde. Kohlenstoff ist auch ein wesentlicher Bestandteil des Lebens, wie wir es kennen.
„Die allerersten Sterne sind der heilige Gral der chemischen Evolution“, sagt D’Eugenio. „Da sie nur aus Urelementen [d. h. ausschließlich aus Wasserstoff und Helium] bestehen, verhalten sie sich ganz anders als moderne Sterne. Indem wir untersuchen, wie und wann sich die ersten Metalle im Inneren von Sternen gebildet haben, können wir einen Zeitrahmen für die frühesten Schritte auf dem Weg zur Entstehung des Lebens festlegen.“
Das Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec) des JWST, das den Kohlenstoff aufspürte, fand auch Hinweise auf Sauerstoff und Neon in GS-z12, aber es sind weitere Daten erforderlich, um die Existenz dieser Elemente zu bestätigen.
Während der Kohlenstoff in GS-z12 als das früheste Metall bestätigt ist, wird die Galaxie den Rekord möglicherweise nicht lange halten. Astronomen haben mit dem JWST eine Galaxie gefunden, die mit einer Rotverschiebung von 14,2 die höchste bisher entdeckte Rotverschiebung aufzuweisen scheint und damit nur 290 Millionen Jahre nach dem Urknall liegt. In ihrem Spektrum wurde die Absorptionslinie von Sauerstoff nachgewiesen, aber diese Entdeckung muss noch von Fachkollegen abgesegnet werden. Sobald die Entdeckung in einer Fachzeitschrift veröffentlicht ist, wird dies das früheste Beispiel für ein Element sein, das schwerer ist als Wasserstoff oder Helium.
So oder so, der neue Fund zeigt, dass Elemente im frühen Universum in beträchtlichen Mengen produziert werden konnten und dass Sterne damals schneller lebten und starben, als die Astronomen dachten.
Das Vorhandensein von Kohlenstoff und Sauerstoff im frühen Universum bedeutet außerdem, dass Astronomen und Astrobiologen vielleicht schon früher im Universum über die Existenz von Planeten und vielleicht auch von Leben sprechen können.
Die Entdeckung von Kohlenstoff in GS-z12 soll in einer zukünftigen Ausgabe von Astronomy & Astrophysics veröffentlicht werden, aber eine Vorschau auf die Arbeit ist hier verfügbar.
