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Eine Illustration zeigt das JWST im Weltraum neben seinen Beobachtungen von einigen der frühesten Galaxien, die jemals gesehen wurden, den so genannten „kleinen roten Punkten“ (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Dale Kocevski (Colby College)/ Robert Lea (erstellt mit Canva))

Astronomen haben möglicherweise die Kosmologie „gerettet“, indem sie die bisher größte Stichprobe einiger der ältesten Galaxien, die jemals gesehen wurden, gesammelt haben, die so genannten „kleinen roten Punkte“, die vom James Webb Space Telescope (JWST) beobachtet wurden.Das Team, das hinter dieser Forschung steht, hat festgestellt, dass die Mehrheit der alten Galaxien in ihrer Stichprobe – die früher als 1. Die Forschungsergebnisse sollten den Behauptungen ein Ende setzen, dass das JWST mit seiner Entdeckung von schockierend hellen frühen Galaxien, die mehr Sterne zu enthalten schienen, als so früh in der Geschichte des Universums zu erwarten gewesen wäre, die Kosmologie „zerstört“ hat. Stattdessen deutet die neue Untersuchung darauf hin, dass ein Großteil des Lichts dieser kleinen roten Punkte von den turbulenten Bedingungen herrührt, die von den fressenden kosmischen Titanen in ihrem Herzen erzeugt werden.

„Wir sind verwirrt von dieser neuen Population von Objekten, die das JWST gefunden hat. Wir sehen keine analogen Objekte bei niedrigeren Rotverschiebungen [entsprechend kleineren Entfernungen] , weshalb wir sie vor dem JWST nicht gesehen haben“, sagte Teamleiter Dale Kocevski vom Colby College in einer Erklärung.

„Es wird viel daran gearbeitet, die Natur dieser kleinen roten Punkte zu bestimmen und herauszufinden, ob ihr Licht von akkretierenden schwarzen Löchern dominiert wird.“

Rot sehen mit dem JWST

Bei ihrer Entdeckung im Jahr 2022 wussten die Astronomen bereits, dass die kleinen roten Punkte des JWST einen neuen, noch nie zuvor gesehenen Galaxientyp darstellen. Sie waren auch verblüfft, wie häufig diese Galaxien im frühen Universum zu sein schienen.

Das Team stellte seine große Stichprobe von „Little Red Dot“-Galaxien mit Daten aus den JWST-Durchmusterungen CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science), JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), NGDEEP (Next Generation Deep Extragalactic Exploratory Public) und RUBIES (Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey) zusammen.

(Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Dale Kocevski (Colby College))

Besonders wichtig für die Erforschung der kleinen roten Punkte waren die Daten des treffend benannten RUBIES-Projekts, das dem Team zeigte, dass etwa 70 Prozent der untersuchten Galaxien Anzeichen von Gas aufweisen, das mit 1.000 Kilometern pro Sekunde (2 Millionen Meilen pro Stunde) umherwirbelt. Dies ist ein klares Anzeichen für eine abgeflachte Gas- und Staubwolke, die als Akkretionsscheibe bezeichnet wird und ein supermassereiches Schwarzes Loch in einer zentralen galaktischen Region, dem so genannten aktiven galaktischen Kern (AGN), ernährt.Kleine Rotpunkt-Galaxien verdanken einen Teil ihrer Färbung einem Phänomen namens „Rotverschiebung“. Wenn sich das Licht einer Galaxie in Richtung Erde bewegt, verlängert sich durch die Ausdehnung des Universums seine Wellenlänge, wodurch sich gleichzeitig seine Frequenz verringert.

Eine Illustration, die die Rotverschiebung von Quellen in verschiedenen Entfernungen und damit zu verschiedenen Zeiten im Universum zeigt. (Bildnachweis: DES Collaboration)

Dadurch verschiebt sich das Licht zum „roten Ende“ des elektromagnetischen Spektrums hin. Je länger das Licht unterwegs ist, desto extremer ist dieser Rotverschiebungseffekt. Daher werden alte Galaxien als „Galaxien mit hoher Rotverschiebung“ bezeichnet.

Nachdem das Licht viele Milliarden Jahre unterwegs war, verschiebt es sich in den nahen Infrarot- oder Infrarotbereich, also in die Wellenlängen, für die das JWST ausgelegt ist.

„Das Spannendste für mich sind die Rotverschiebungsverteilungen. Diese wirklich roten Quellen mit hoher Rotverschiebung hören im Grunde an einem bestimmten Punkt nach dem Urknall auf zu existieren“, sagte Steven Finkelstein, Mitglied des Teams und Forscher an der University of Texas in Austin. „Wenn es sich dabei um wachsende Schwarze Löcher handelt, und wir glauben, dass dies bei mindestens 70 % der Quellen der Fall ist, deutet dies auf eine Ära des verdeckten Wachstums Schwarzer Löcher im frühen Universum hin.

Die Kosomologie ist dank der Fütterung supermassiver schwarzer Löcher gut

Sie haben vielleicht Schlagzeilen gelesen, die besagen, dass „die Kosmologie kaputt ist“, seit das JWST begonnen hat, diese uralten kleinen roten Punkte zu entdecken. Das liegt daran, dass sich die Wissenschaftler den Kopf darüber zerbrochen haben, wie frühe Galaxien zu Sternpopulationen heranwuchsen, die groß genug waren, um so viel Licht auszustrahlen, als der 13,8 Milliarden Jahre alte Kosmos nicht mehr als 12 % seines heutigen Alters hatte. Diese Entdeckung könnte helfen, dieses Rätsel zu erklären.

Künstlerische Illustration eines supermassiven schwarzen Lochs, das einen Strahl energiereicher Teilchen aussendet. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

AGNs sind aufgrund der Turbulenzen, die in den Akkretionsscheiben durch den unglaublichen Gravitationseinfluss von supermassiven Schwarzen Löchern mit einer Masse von Millionen oder Milliarden Sonnen entstehen, extrem hell. Das bedeutet, dass die Sternenpopulation in kleinen roten Galaxien nicht so paradigmatisch hoch sein muss, um ihre Helligkeit zu erklären. „So löst man das Problem, dass das Universum zerbricht“, sagte Anthony Taylor, Mitglied des Teams und Wissenschaftler an der University of Texas in Austin.

Eine Illustration, die die Anatomie des supermassiven schwarzen Lochs und des AGN im Herzen einer aktiven Galaxie zeigt (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Das bedeutet jedoch nicht, dass alle Fragen zu den kleinen roten Punkten geklärt sind. Ein Rätsel, das nach wie vor besteht, ist das Fehlen von weniger rotverschobenen Galaxien, die diesen kleinen roten Punkten ähneln, im lokalen Universum.

Eine mögliche Erklärung könnte das „innere“ Wachstum von Galaxien sein. Die Sternentstehung in einer Galaxie breitet sich von ihrem Zentrum zu ihren Außenbezirken aus. Das bedeutet, dass sich mit zunehmendem Alter einer Galaxie durch den Supernova-Tod von Sternen immer weniger Gas in der Nähe des zentralen supermassereichen Schwarzen Lochs ansammelt. Das bedeutet, dass das AGN mit der Zeit immer weniger von dem dichten Gas und Staub in der Umgebung verdeckt wird. In dem Maße, wie das Schwarze Loch seinen Kokon abwirft und Materie mit den mächtigen Plasmastrahlen, die es ausstößt, wegschiebt, wird die Galaxie in blaueren und weniger roten Wellenlängen heller und verliert damit ihren Status als kleiner roter Punkt. Auch die Tatsache, dass diese alten Galaxien im hochenergetischen Röntgenlicht schwach leuchten, spricht für die Idee der Verdunkelung von AGNs als Ursache der kleinen roten Punkte. Dies ist nicht der Fall bei den supermassereichen Schwarzen Löchern in der Nähe der Milchstraße, die im Röntgenlicht hell leuchten, was daran liegen könnte, dass dichte Gas- und Staubwolken die Röntgenstrahlung absorbieren und die Emission dieses hochenergetischen Lichts dämpfen. Das Fehlen der Röntgenstrahlung kleiner roter Punkte könnte also auf dicht umhüllte Schwarze Löcher hindeuten.

Das Team wird nun eine Vielzahl von Wegen beschreiten, um kleine rote Punktgalaxien besser zu verstehen. Dazu gehört auch die Untersuchung ihrer Galaxienprobe im mittleren Infrarotlicht.

Eine genauere Betrachtung der kleinen roten Punkte und sorgfältig ausgewählte Folgebeobachtungen könnten dazu beitragen, das Rätsel dieser anspruchsvollen, uralten Galaxien endgültig zu lösen.

„Es gibt immer zwei oder mehr Möglichkeiten, die verwirrenden Eigenschaften der kleinen roten Punkte zu erklären“, sagte Kocevski. „Es ist ein ständiger Austausch zwischen Modellen und Beobachtungen, um ein Gleichgewicht zwischen dem zu finden, was gut zueinander passt, und dem, was im Widerspruch dazu steht.“

Die Ergebnisse des Teams wurden am Dienstag (15. Januar) auf der 245. Tagung der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft in National Harbor, Maryland, vorgestellt und sind zur Veröffentlichung in The Astrophysical Journal angenommen worden.