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Eine Illustration zeigt das James-Webb-Weltraumteleskop, wie es eine Reihe von Zwerggalaxien untersucht (Bildnachweis: NASA/ESA/Robert Lea)

Astronomen haben mit Hilfe des James Webb Space Telescope (JWST) und eines von Albert Einstein vor über 100 Jahren vorhergesagten Effekts entdeckt, dass kleine Galaxien im frühen Kosmos eine gewaltige Wirkung hatten und das gesamte Universum formten, als es weniger als 1 Milliarde Jahre alt war.

Das internationale Team fand heraus, dass die Galaxien, die den heute existierenden Zwerggalaxien ähneln, in einer entscheidenden Phase der kosmischen Entwicklung, die zwischen 500 und 900 Millionen Jahren nach dem Urknall stattfand, eine entscheidende Rolle spielten. Diese kleinen Galaxien waren im jungen Universum den größeren Galaxien zahlenmäßig weit überlegen, sagen die Wissenschaftler und fügen hinzu, dass sie wahrscheinlich den Großteil der Energie lieferten, die für einen Prozess namens kosmische Reionisation benötigt wurde. Die kosmische Reionisation war entscheidend für das Wachstum und die Entwicklung des Universums.

„Wir sprechen hier wirklich von einer globalen Transformation des gesamten Universums“, sagte Hakim Atek, Hauptautor der Studie und Astronom am Institut d’Astrophysique de Paris, gegenüber kosmischeweiten.de. „Die Hauptüberraschung ist, dass diese kleinen, schwachen Galaxien so viel Kraft hatten, dass ihre kumulative Strahlung das gesamte Universum verändern konnte.“

Kleine treibende Kräfte hinter großen Veränderungen

Bis etwa 380 Millionen Jahre nach dem Urknall, während der so genannten Epoche der Rekombination, war das heute 13,8 Milliarden Jahre alte Universum undurchsichtig und dunkel. Das lag daran, dass in seinem dichten und ultraheißen Zustand freie Elektronen endlos um Lichtteilchen, so genannte Photonen, herumgeschleudert wurden.

Später, in der Epoche der Rekombination, hatte sich das Universum jedoch so weit ausgedehnt und abgekühlt, dass sich Elektronen mit Protonen verbinden und die ersten Wasserstoffatome, das leichteste und einfachste Element im Kosmos, entstehen konnten. Das Verschwinden der freien Elektronen bedeutete, dass sich Photonen plötzlich frei bewegen konnten, und damit endete das „dunkle Zeitalter“ des Universums. Der Kosmos wurde plötzlich für Licht durchlässig. Dieses „erste Licht“ kann heute in Form eines kosmischen Fossils gesehen werden, das das Universum gleichmäßig ausfüllt und als „kosmischer Mikrowellenhintergrund“ oder „CMB“ bezeichnet wird.

Da Elektronen und Protonen gleiche, aber entgegengesetzte elektrische Ladungen haben, waren diese ersten Atome elektrisch neutral, aber sie würden bald eine weitere Umwandlung erfahren.

Nach 400 Millionen Jahren bildeten sich die ersten Sterne und Galaxien – dann, während der Ära der Reionisation, wurde neutraler Wasserstoff, das vorherrschende Element im Universum, in geladene Teilchen umgewandelt. Diese Teilchen werden Ionen genannt. Die Ionisierung wird dadurch verursacht, dass Elektronen Photonen absorbieren und ihre Energie erhöhen, indem sie sich aus den Atomen lösen. Bis jetzt waren sich die Wissenschaftler nicht sicher, woher diese ionisierende Strahlung kam.

Die Entwicklung des Universums, die das Ende des kosmischen dunklen Zeitalters anzeigt. (Bildnachweis: NASA)

Als Strahlungsquelle für die Reionisierung wurden u. a. supermassereiche schwarze Löcher, die sich von Gas aus den sie umgebenden Akkretionsscheiben ernähren – wodurch diese Regionen hochenergetische Strahlung ausstoßen -, große Galaxien mit einer Masse von mehr als 1 Milliarde Sonnen und kleinere Galaxien mit einer geringeren Masse in Betracht gezogen.

„Wir debattieren schon seit Jahrzehnten darüber, ob es sich um massive schwarze Löcher oder massive Galaxien handelt. Es gibt sogar exotische Erklärungen, wie die Annihilation dunkler Materie, die ionisierende Strahlung erzeugt“, sagte Atek. „Einer der besten Kandidaten waren Galaxien, und jetzt haben wir gezeigt, dass der Beitrag kleiner Galaxien enorm ist.

„Wir hätten nicht gedacht, dass kleine Galaxien bei der Erzeugung ionisierender Strahlung so effizient sind. Sie ist viermal höher als das, was wir erwartet hatten, selbst für normal große Galaxien.“

Die Identifizierung kleinerer Zwerggalaxien als Hauptquellen dieser ionisierenden Strahlung war lange Zeit eine Herausforderung, weil sie so schwach sind.

„Es war schwierig, diese Art von Informationen und Beobachtungen zu erhalten, aber das JWST verfügt über spektroskopische Fähigkeiten im Infraroten. Selbst mit der beeindruckenden Infrarot-Beobachtungsleistung des JWST wäre die Entdeckung dieser Zwerggalaxien ohne die Hilfe von Albert Einstein nicht möglich gewesen – genauer gesagt, ohne die Hilfe seiner Allgemeinen Relativitätstheorie von 1915 und einer darin vorhergesagten Auswirkung auf das Licht.

Eine helfende Hand von Albert Einstein

Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass alle Objekte mit Masse die Struktur von Raum und Zeit verzerren, die in Wahrheit zu einer einzigen Einheit namens „Raumzeit“ vereint sind. Unsere Wahrnehmung der Schwerkraft, so die Theorie, ist das Ergebnis dieser Krümmung. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto „extremer“ ist die Krümmung der Raumzeit. Umso stärker sind seine Gravitationswirkungen.

Diese Krümmung bestimmt nicht nur, wie sich die Planeten in ihren Bahnen um die Sterne bewegen und wie diese stellaren Körper wiederum die supermassiven schwarzen Löcher in den Zentren ihrer Heimatgalaxien umkreisen, sondern sie verändert auch die Wege des von den Sternen kommenden Lichts.

Licht von einer Hintergrundquelle kann auf seinem Weg zur Erde verschiedene Wege um ein Vordergrundobjekt herum nehmen, und je näher dieser Weg an einem Objekt mit großer Masse ist, desto stärker wird es „gekrümmt“. So kann das Licht von ein und demselben Objekt zu unterschiedlichen Zeiten auf der Erde ankommen, was auf das Objekt im Vordergrund oder die „Linsen“ zurückzuführen ist.

Ein Diagramm zeigt, wie Licht von einem Hintergrundobjekt durch einen Vordergrundkörper gekrümmt wird. (Bildnachweis: NASA, ESA & L. Calçada)

Diese Linsenbildung kann die Position des Hintergrundobjekts am Himmel verschieben oder dazu führen, dass das Hintergrundobjekt an mehreren Stellen im selben Bild des Himmels erscheint. In anderen Fällen wird das Licht des Hintergrundobjekts verstärkt, so dass das Objekt am Himmel vergrößert erscheint.

Dieser Effekt wird als „Gravitationslinseneffekt“ bezeichnet, und das JWST hat ihn mit großem Erfolg genutzt, um uralte Galaxien in der Nähe des Beginns der Zeit zu beobachten, die es sonst nicht hätte sehen können.

Um die neu untersuchten fernen und frühen Zwerggalaxien zu beobachten und das von ihnen ausgesandte Licht zu analysieren, hat das JWST einen Galaxienhaufen namens Abell 2744 als Gravitationslinse verwendet. „Selbst für das JWST sind diese kleinen Galaxien sehr schwach, so dass wir eine Gravitationslinse hinzufügen mussten, um den Lichtstrom von ihnen zu verstärken“, sagte Atek.

Da das Rätsel der Reionisierung nun möglicherweise gelöst ist, möchte das Team diese Studie mit einem anderen JWST-Projekt namens GLIMPSE auf einen größeren Maßstab ausweiten. Die Forscher werden zunächst versuchen zu bestätigen, dass der in dieser Studie untersuchte Ort repräsentativ für die durchschnittliche Verteilung von Galaxien im Universum ist.

Nach der Untersuchung des Reionisierungsprozesses werden Atek und seine Kollegen versuchen, die Entstehung der allerersten Galaxien besser zu verstehen, die sich im Laufe von 12 Milliarden Jahren zu den heutigen Galaxien entwickelt haben.

„Bisher haben wir vor allem helle, massereiche Galaxien untersucht, aber die sind nicht sehr typisch für das frühe Universum“, so Atek. „Wenn wir also die Entstehung der ersten Galaxien verstehen wollen, müssen wir auch die Entstehung winziger, massearmer Galaxien verstehen. Und das ist es, was wir mit diesem kommenden Programm versuchen werden.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (28. Februar) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.