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Die Galaxie JADES-GS-z14-0, die 33,8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist.(Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA))

Seitdem das James Webb Space Telescope (JWST) im Jahr 2022 begonnen hat, Daten zur Erde zu senden, hat es die Astronomie stark beeinflusst. Eine seiner revolutionärsten Errungenschaften ist die Beobachtung einiger der am weitesten entfernten Galaxien, die jemals gesehen wurden. Da sich Licht jedoch nicht sofort ausbreitet, sondern sich im Vakuum mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 Millionen Metern pro Sekunde bewegt, sehen wir diese Galaxien nicht so, wie sie heute sind, sondern wie sie vor Milliarden von Jahren waren.

Außerdem wird das Alter unseres Universums auf 13,8 Milliarden Jahre geschätzt. Wir sollten also davon ausgehen, dass die am weitesten entfernte Galaxie, die wir je zu sehen hoffen können, nicht weiter als 13,8 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. (Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt). Dieser Punkt sollte eine Art „kosmologischer Horizont“ sein, über den hinaus kein Teleskop sehen kann. Und da sich nichts schneller als mit der Geschwindigkeit c durch den Raum bewegen kann, bedeutet dies, dass eine Galaxie, die weiter als 13,8 Milliarden Lichtjahre entfernt ist und sich immer weiter entfernt, die Erde nicht beeinflussen kann. Oder?

Falsch. Wenn das Universum nur so einfach wäre.

Das rotverschobene Spektrum von JADES-GS-z14-0, gemessen mit dem NIRSpec-Instrument des JWST (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI). Wissenschaft: S. Carniani (Scuola Normale Superiore), JADES Kollaboration).

„Ein kosmologischer Horizont ist eine maximale Entfernung, aus der man möglicherweise Informationen gewinnen kann“, sagte Jake Helton, ein Astronom der Universität von Arizona, der auch Teil des JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) Teams ist, gegenüber kosmischeweiten.de.

„Es gibt verschiedene kosmologische Horizonte“, so Helton weiter, „die unterschiedlich definiert sind und von verschiedenen kosmologischen Größen abhängen. Am wichtigsten ist hier der kosmologische Horizont, der die maximale Entfernung angibt, die das Licht im Alter des Universums bis zu uns zurückgelegt haben könnte. Damit wird der Rand des beobachtbaren Kosmos definiert.“

Im März 2024 gaben die JADES-Wissenschaftler bekannt, dass das leistungsstarke Teleskop JADES-GS-z14-0 entdeckt hat, die am weitesten entfernte und früheste Galaxie, die die Menschheit je gesehen hat. Das Paradoxe ist jedoch, dass JADES-GS-z14-0 etwa 33,8 Milliarden Lichtjahre entfernt ist.

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Wie können wir Licht von einem Objekt sehen, das so weit entfernt ist, dass das Universum noch nicht alt genug ist, um es zu uns durchgelassen zu haben? Bedeutet die Position von JADES-GS-z14-0 in 33,8 Milliarden Lichtjahren Entfernung nicht, dass wir es so sehen, wie es vor 33,8 Milliarden Jahren war, was sicherlich die Schätzung des Alters des Universums in Frage stellen würde?

Nicht so. Auch dies ist ein Beweis dafür, dass das Universum in der Lage ist, vernünftige und logische Schlussfolgerungen auf den Kopf zu stellen.

„Wie kann eine weit entfernte Galaxie wie JADES-GS-z14-0 jemals beobachtet werden, da sie mehr als 13,8 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist und ihr Licht anscheinend mehr Zeit als das Alter des Universums benötigt hätte, um uns zu erreichen?“ fragte Helton rhetorisch. „Die Antwort ist die Expansion des Universums.“

Eine Galaxie zu sehen, die älter ist als die Zeit selbst

Wenn das Universum einfach stillsitzen würde, dann würde das Licht einer 33,8 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie 33,8 Milliarden Jahre brauchen, um uns zu erreichen, und das war’s dann. Aber in den frühen 1900er Jahren stellte Edwin Hubble fest, dass sich entfernte Galaxien voneinander zu entfernen schienen, und je weiter sie voneinander entfernt waren, desto schneller waren sie. Mit anderen Worten: Das Universum ist nicht statisch; es dehnt sich aus.

Dies wurde 1998, als sich das 20. Jahrhundert dem Ende zuneigte, noch komplizierter, als zwei verschiedene Teams von Astronomen feststellten, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern dass sich die Ausdehnung auch beschleunigt. Die dafür verantwortliche Kraft ist ein Rätsel, aber man hat ihr den Platzhalter-Namen „dunkle Energie“ gegeben.

Ein Diagramm, das die Ausdehnung des Universums zeigt, die zunächst auf den Urknall zurückzuführen ist und sich dann beschleunigt hat, als die dunkle Energie die Oberhand gewann. (Bildnachweis: NASA / WMAP Science Team)

In der 13,8 Milliarden Jahre alten Geschichte des Universums gibt es zwei große und unterschiedliche Expansionsphasen. Die erste ist eine anfängliche Periode der schnellen kosmischen Inflation, die heute allgemein als „Urknall“ bezeichnet wird.

In dieser inflationären Epoche vergrößerte sich das Volumen des Kosmos um den Faktor 10^26 (10 gefolgt von 25 Nullen). Das entspricht dem Wachstum eines Fingernagels von 1 Nanometer pro Sekunde auf plötzlich 10,6 Lichtjahre (62 Billionen Meilen) Länge. Zu dieser Zeit wurde das Universum von Energie dominiert, und diese Periode ist als die energiebeherrschte Epoche bekannt.

Es folgte eine von Materie dominierte Epoche, die 47.000 Jahre nach dem Urknall begann. Durch die universelle Expansion konnte sich der Kosmos schließlich so weit abkühlen, dass sich aus Quarks und Gluonen Protonen bildeten, die sich dann mit Elektronen zu den ersten Wasserstoffatomen verbanden, aus denen die ersten Sterne und Galaxien entstanden. Während dieser Zeit verlangsamte sich die durch den Urknall angetriebene Expansion des Universums und kam fast zum Stillstand.

Die von der Materie dominierte Epoche fand ein überraschendes Ende, als das Universum knapp 10 Milliarden Jahre alt war. Zu diesem Zeitpunkt begann das Universum plötzlich, sich wieder rasch auszudehnen. Und diese Expansion wurde immer schneller und beschleunigt sich auch heute noch. Diese dritte bedeutende Periode des Universums wird als die von dunkler Energie dominierte Epoche bezeichnet. Es ist die Epoche, in der wir uns gerade befinden.

Eine Illustration des kosmischen Horizonts, des am weitesten entfernten Punktes im Universum, den wir mit jedem Teleskop sehen können (Bildnachweis: Pablo Carlos Budassi (CC-by-SA 3.0))

Dank dieser Expansionsphasen des Universums ist das Licht von JADES-GS-z14-0 erst seit 13,5 Milliarden Jahren auf dem Weg zum JWST und zur Erde, obwohl seine Quelle inzwischen viel weiter entfernt ist als 13,5 Milliarden Lichtjahre. Das heißt, das JWST sieht JADES-GS-z14-0 so, wie es 300 Millionen Jahre nach dem Urknall war. Ohne die Ausdehnung des Universums wäre JADES-GS-z14-0 immer noch etwa 13,5 Milliarden Lichtjahre entfernt, obwohl es immer noch kleinere lokale Bewegungen erfahren hätte, die es näher zusammen oder weiter weg von nahe gelegenen Galaxien hätten bringen können. Aber solche galaktischen Bewegungen wären bei weitem nicht so stark wie die durch die Expansion des Universums verursachten.

Der kosmologische Horizont oder „Photonenhorizont“ ist laut Helton eine Kugel mit einer Grenze in einer Entfernung von etwa 46,1 Milliarden Lichtjahren, eine Zahl, die durch die Expansion des Universums bestimmt wird. Dies ist der eigentliche Horizont, jenseits dessen wir keine Galaxie „sehen“ können sollten. Die Galaxie JADES-GS-z14-0 befindet sich tatsächlich innerhalb dieses Horizonts.

Um Verwirrung zu vermeiden, verwenden die Astronomen zwei Entfernungsmaßstäbe: eine Mitbewegungsentfernung, die die Expansion des Universums als Faktor ausschließt, und eine Eigenentfernung, die sie einschließt. Das bedeutet, dass die mitbewegte Entfernung von JADES-GS-z14-0 13,5 Milliarden Lichtjahre beträgt, während die richtige Entfernung 33,8 Milliarden Lichtjahre beträgt.

JADES-GS-z14-0 und andere weit entfernte und uralte Galaxien werden jedoch nicht immer sichtbar sein.

Ein Diagramm, das den Weg des Lichts von einer frühen Galaxie zum JWST zeigt (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Ein glückliches Zeitalter für das James Webb Space Telescope

Die Tatsache, dass das JWST JADES-GS-z14-0 sehen kann, bedeutet, dass es einst mit der Erde und unserem lokalen Universum „kausal verbunden“ war. Mit anderen Worten, es war möglich, dass ein Signal von JADES-GS-z14-0 uns in der Milchstraße erreichte, so dass eine „Ursache“ in dieser Galaxie, die zu Beginn der Zeit existierte, eine „Wirkung“ in unserer Galaxie in dieser modernen Epoche des Kosmos haben konnte.

„Jede beobachtbare Galaxie muss sich innerhalb des Teilchenhorizonts befinden und zu irgendeinem Zeitpunkt in der Geschichte des Universums kausal mit uns verbunden gewesen sein“, so Helton.

Dies ist jedoch nicht mehr der Fall. Galaxien wie JADES-GS-z14-0 und die anderen von JADES entdeckten Galaxien sind heute so weit entfernt und werden dank der dunklen Energie so schnell von uns weggetrieben, dass kein Signal, das heute von ihnen ausgesendet wird, uns jemals erreichen könnte. Das liegt daran, dass sich der Photonenhorizont mit Lichtgeschwindigkeit von uns wegbewegt, der Raum zwischen der Milchstraße und diesen Galaxien sich aber bei wirklich weit entfernten Objekten schneller ausdehnt als die Lichtgeschwindigkeit, was unplausibel erscheinen mag, da Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie die Lichtgeschwindigkeit als universelle Geschwindigkeitsgrenze festlegt. Dies ist jedoch eine Regel für Objekte mit Masse, die sich durch den Raum bewegen, und nicht für die Struktur des Raums an sich.

In etwa 2 Billionen Jahren, wenn die Erde und die Menschheit längst verschwunden sind, bedeutet die Ausdehnung des Universums, dass die intelligente Spezies, die uns in der Milchstraße ersetzt (falls es jemals eine geben wird), nicht in der Lage sein wird, irgendwelche Galaxien zu sehen, die jenseits unserer lokalen Gruppe existieren – die einen Durchmesser von etwa 10 Millionen Lichtjahren hat.

Es ist ein ernüchternder Gedanke, und er bedeutet, dass die Menschheit an einem einzigartigen Punkt in der Geschichte des Universums lebt, an dem die am weitesten entfernten Galaxien noch in unserer Sichtweite sind. Wir sind in der Lage, mehr über das Universum und seine Ursprünge zu wissen als jedes intelligente Leben, das nach uns kommen könnte. Astronomen, darunter auch Helton, beabsichtigen, das JWST zu nutzen, um dieses kosmische Privileg voll auszuschöpfen.

„Die Arbeit mit JWST und der JADES-Kollaboration war unglaublich“, sagte Helton. „Das Schreiben von Artikeln über die Wissenschaft mit JWST, wie mein jüngster Artikel über JADES-GS-z14-0, war die lohnendste und aufregendste Erfahrung meiner Forschungslaufbahn.“