Dieses Bild zeigt einen kleinen Teil des Feldes, das von der NIRCam (Nahinfrarotkamera) des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA im Rahmen der Durchmusterung Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) beobachtet wurde. Es ist mit Galaxien gefüllt. Das Licht einiger dieser Galaxien hat eine Reise von mehr als 13 Milliarden Jahren hinter sich, um das Teleskop zu erreichen.(Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Steve Finkelstein (UT Austin))
Schwarze Löcher könnten der Grund dafür sein, dass das neugeborene Universum mehr riesige Galaxien zu besitzen schien, als Wissenschaftler erklären konnten, so eine neue Studie.
Astronomen machten diese Entdeckung mit Hilfe des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA, dem bisher größten und leistungsstärksten erdgebundenen Observatorium. Das 10 Milliarden Dollar teure JWST wird im Dezember 2021 gestartet und ist auf die Erkennung von Infrarotlicht spezialisiert, ähnlich wie eine Wärmebildbrille.
Wissenschaftler nutzen das JWST, um den frühen Kosmos zu erforschen. Das Universum hat sich seit seiner Entstehung im Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren stark ausgedehnt, und das bedeutet, dass das Licht früher Galaxien röter erscheint, wenn es die Erde erreicht, ähnlich wie eine Krankenwagensirene für die Menschen leiser klingt, wenn das Fahrzeug wegfährt. Das JWST soll dazu beitragen, das Licht der frühesten Galaxien einzufangen, von denen ein Großteil in den Infrarotbereich verschoben wurde.
Als die Astronomen mit JWST ihre ersten Blicke auf Galaxien im frühen Universum warfen, erwarteten sie Miniaturversionen moderner Galaxien. Stattdessen stellten sie fest, dass einige Galaxien sehr schnell sehr groß geworden waren.
Diese frühere Forschung deutete darauf hin, dass etwas mit den Vorstellungen der Wissenschaftler über den Aufbau des Universums und seine Entwicklung seit dem Urknall, dem so genannten Standardmodell der Kosmologie, nicht stimmen könnte. Alles in allem schienen die frühen Galaxien um „etwa einen Faktor zwei“ größer zu sein, als es das Standardmodell erwarten ließ, so der Mitautor der Studie, Steve Finkelstein, Astrophysiker an der University of Texas in Austin, gegenüber kosmischeweiten.de.
Jetzt haben Finkelstein und seine Kollegen herausgefunden, dass einige dieser frühen Galaxien tatsächlich viel weniger massiv sind, als sie zunächst erschienen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse am 26. August in der Zeitschrift The Astrophysical Journal.
In der neuen Studie konzentrierten sich die Forscher auf 261 Galaxien im Zeitraum von etwa 700 Millionen bis 1,5 Milliarden Jahren nach dem Urknall. Um die Masse von Galaxien zu schätzen, sehen sich Wissenschaftler normalerweise an, wie viel Licht eine Galaxie aussendet, und leiten daraus die Anzahl der Sterne ab, die sie wahrscheinlich besitzt, um all dieses Licht zu erzeugen. Wenn es um frühe Galaxien ging, konnte das Hubble-Weltraumteleskop der NASA bisher nur die heißesten und massereichsten Sterne beobachten“, so Finkelstein. „JWST beobachtet rötlichere Wellenlängen, ist also empfindlich für masseärmere, kühlere Sterne und kann daher die Gesamtmenge der Sterne in diesen Galaxien genauer messen.“
Die Wissenschaftler entdeckten, dass schwarze Löcher neun dieser frühen Galaxien viel heller – und damit größer – erscheinen ließen, als sie tatsächlich sind. Obwohl Schwarze Löcher ihren Namen daher haben, dass ihre Anziehungskraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann, kann Gas, das in Schwarze Löcher fällt, aufgrund der Reibung, die es erfährt, wenn es mit hoher Geschwindigkeit hineinrauscht, hell leuchten. Dieses zusätzliche Licht kann den Anschein erwecken, dass Galaxien mehr Sterne enthalten, als sie tatsächlich haben.
Nachdem die Forscher diese von schwarzen Löchern beeinflussten Galaxien berücksichtigt hatten, konnte das Standardmodell die übrigen frühen Galaxien erklären.
„Unterm Strich gibt es also keine Krise des Standardmodells der Kosmologie“, sagte Finkelstein in einer Presseerklärung. „Jedes Mal, wenn man eine Theorie hat, die sich so lange bewährt hat, muss man überwältigende Beweise haben, um sie wirklich zu verwerfen. Und das ist einfach nicht der Fall.“
Allerdings „sehen wir immer noch mehr Galaxien als vorhergesagt, obwohl keine von ihnen so massiv ist, dass sie das Universum ‚sprengen‘ würde“, sagte die Hauptautorin der Studie, Katherine Chworowsky, eine Doktorandin an der University of Texas in Austin, in der Pressemitteilung.
Ein möglicher Grund dafür, dass JWST etwa doppelt so viele massereiche frühe Galaxien sieht wie nach dem Standardmodell erwartet, ist, dass sich die Sterne im frühen Universum schneller bildeten als heute. „Vielleicht waren die Galaxien im frühen Universum besser darin, Gas in Sterne zu verwandeln“, so Chworowsky in der Pressemitteilung.
Ein Stern entsteht, wenn eine Gaswolke ihrer eigenen Schwerkraft erliegt und kollabiert. Während sich dieses Gas zusammenzieht, erwärmt es sich jedoch aufgrund von Reibung und erzeugt einen Druck nach außen. Heutzutage ist die Sternentstehung aufgrund dieser gegensätzlichen Kräfte normalerweise langsam. Da das frühe Universum jedoch dichter war als heute, deuten einige Forschungsergebnisse darauf hin, dass es schwierig war, das Gas während der Sternentstehung auszutreiben, so dass diese schneller vonstatten ging.
Nun „möchten wir verstehen, warum wir das beobachten, was wir beobachten“, sagte Finkelstein. „Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist zu untersuchen, wie diese Galaxien ihre stellare Masse aufbauen.“ Solche Daten werden in den nächsten Monaten kommen, „mit denen wir in der Lage sein sollten, besser zu verstehen, wie diese massiven Galaxien entstanden sind.“
