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Mysteriöse Objekte oder „kleine rote Punkte“, die das JWST im frühen Universum entdeckt hat (Bildnachweis: JWST/NIRSpec).

Vergessen Sie die „kleinen grünen Männchen“ – es sind die „kleinen roten Punkte“ im frühen Universum, die dem James Webb Space Telescope (JWST) aufgefallen sind.

Hinter den seltsamen roten Körpern verbergen sich laut Wissenschaftlern Sterne, die laut Modellen „zu alt“ sind, um in der Frühzeit des Kosmos gelebt zu haben, und schwarze Löcher, die bis zu tausendmal größer sind als das supermassive schwarze Loch im Herzen der Milchstraße. Die Wissenschaftler glauben, dass diese Objekte auf eine für das frühe Universum einzigartige Art und Weise entstanden sein müssen – durch eine Methode, die im Kosmos nach etwa 1 Milliarde Jahren seiner Existenz zum Erliegen gekommen zu sein scheint.

Die drei kleinen roten Punkte sind so zu sehen, wie sie waren, als das Universum zwischen 600 Millionen und 800 Millionen Jahre alt war. Das mag zwar wie eine enorm lange Zeit nach dem Urknall erscheinen, aber die Tatsache, dass das Universum 13,8 Milliarden Jahre alt ist, bedeutet, dass es nicht mehr als 5 % seines heutigen Alters hatte, als diese Objekte existierten.

Durch die Bestätigung der Existenz dieser Punkte im frühen Universum könnten diese JWST-Ergebnisse das in Frage stellen, was wir über die Entwicklung von Galaxien und den supermassiven schwarzen Löchern, die in ihrem Herzen sitzen, wissen.

Das Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Penn State University entdeckte diese mysteriösen karminroten kosmischen Merkwürdigkeiten bei der Untersuchung des frühen Universums mit dem Nahinfrarotspektrographen (NIRSpec) des JWST als Teil der RUBIES-Durchmusterung.

„Es ist sehr verwirrend“, sagte Teammitglied Joel Leja, ein Assistenzprofessor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State, in einer Erklärung. „Man kann dies in unser gegenwärtiges Modell des Universums einpassen, aber nur, wenn wir eine exotische, wahnsinnig schnelle Entstehung am Anfang der Zeit heraufbeschwören.

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„Dies ist zweifellos die eigenartigste und interessanteste Ansammlung von Objekten, die ich in meiner Laufbahn gesehen habe.“

Was verbirgt sich hinter den Punkten?

Die Forscher untersuchten die Intensität der verschiedenen Wellenlängen des Lichts, das von den kleinen roten Punkten ausgeht. Dabei ergaben sich Anzeichen dafür, dass die Sterne Hunderte von Millionen Jahren alt sind – viel älter, als man für Sterne in diesem frühen Stadium des Kosmos erwartet.

Die Forscher sahen auch Spuren von supermassiven schwarzen Löchern in den Regionen der kleinen roten Punkte mit Massen, die Millionen, manchmal sogar Milliarden von Sonnen entsprechen. Diese schwarzen Löcher sind zwischen 100 und 1.000 Mal so massiv wie Sagittarius A* (Sgr A*), das supermassive schwarze Loch im Herzen der Milchstraße, das nur 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

Beide Entdeckungen sind nach den derzeitigen Modellen der kosmischen Entwicklung, des Galaxienwachstums und der Bildung supermassereicher schwarzer Löcher nicht zu erwarten. Alle diese Theorien gehen davon aus, dass Galaxien und supermassive schwarze Löcher im Gleichschritt wachsen – aber dieses Wachstum dauert Milliarden von Jahren.

„Wir haben bestätigt, dass diese Objekte voll mit uralten Sternen zu sein scheinen – Hunderte von Millionen Jahren alt – in einem Universum, das nur [600 Millionen bis 800 Millionen Jahre] alt ist. Bemerkenswerterweise halten diese Objekte den Rekord für die frühesten Signaturen von altem Sternenlicht“, sagte Forschungsleiter Bingjie Wang, ein Postdoktorand an der Penn State, in der Erklärung. „Es war völlig unerwartet, alte Sterne in einem sehr jungen Universum zu finden. Die Standardmodelle der Kosmologie und der Galaxienentstehung waren unglaublich erfolgreich, doch diese leuchtenden Objekte passen nicht so recht in diese Theorien.“

Eine Illustration eines frühen supermassereichen Schwarzen Lochs, wie es in den kleinen roten Punkten des JWST lauert (Bildnachweis: Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins University)

Das Team entdeckte die kleinen roten Punkte erstmals im Juli, als es das JWST benutzte. Damals vermuteten die Forscher sofort, dass es sich bei den Objekten um Galaxien handelte, die vor etwa 13,5 Milliarden Jahren existierten.

Eine genauere Untersuchung der Lichtspektren dieser Objekte bestätigte, dass es sich um Galaxien handelt, die in der Morgendämmerung der Zeit gelebt haben, und zeigte außerdem, dass „ausgewachsene“ supermassive schwarze Löcher und unmöglich „alte“ Sterne die beeindruckende Lichtleistung der roten Punkte antreiben.

Das Team ist sich noch nicht sicher, wie viel von dem Licht der kleinen roten Punkte von jeder dieser Quellen stammt. Das bedeutet, dass diese Galaxien entweder unerwartet alt und massereicher als die Milchstraße sind und sich viel früher gebildet haben, als es die Modelle vorhersagen, oder dass sie normale Mengen an Masse, aber irgendwie übermäßig massive Schwarze Löcher haben – Hohlräume, die viel massereicher sind, als eine ähnliche Galaxie in der gegenwärtigen Epoche des Kosmos haben würde.

„Die Unterscheidung zwischen dem Licht von Material, das in ein Schwarzes Loch fällt, und dem Licht, das von Sternen in diesen winzigen, weit entfernten Objekten ausgesendet wird, ist eine Herausforderung“, sagte Wang. „Die Unfähigkeit, den Unterschied in den aktuellen Datensätzen zu erkennen, lässt viel Raum für die Interpretation dieser faszinierenden Objekte.

Das ist kein gewöhnliches supermassives schwarzes Loch!

Natürlich haben alle schwarzen Löcher lichtbrechende Grenzen, die „Ereignishorizonte“ genannt werden. Das bedeutet, dass das Licht, das sie zu den kleinen roten Punkten beitragen, nicht aus ihrem Inneren, sondern aus dem sie umgebenden Material stammen muss.

Der enorme Gravitationseinfluss der Schwarzen Löcher erzeugt in diesem Material Turbulenzen, die das Schwarze Loch im Laufe der Zeit ebenfalls speisen, es aufheizen und hell leuchten lassen. Regionen, die auf diese Weise von supermassiven schwarzen Löchern angetrieben werden, nennt man „Quasare“, und die Regionen ihrer Galaxien, in denen sie sich befinden, sind als „aktive galaktische Kerne (AGNs)“ bekannt.

Diese neu entdeckten „Rotpunkt“-Regionen schwarzer Löcher könnten sich von anderen Quasaren unterscheiden, sogar von denen, die das JWST bereits im frühen Universum gesehen hat. Zum Beispiel scheinen die „Red Dot“-Schwarzen Löcher viel mehr ultraviolettes Licht zu produzieren als erwartet. Das Schockierendste an diesen supermassereichen Schwarzen Löchern ist jedoch, wie massiv sie zu sein scheinen.

„Normalerweise sind supermassive schwarze Löcher mit Galaxien gepaart“, sagte Leja. „Sie wachsen zusammen auf und machen alle wichtigen Lebenserfahrungen gemeinsam durch. Aber hier haben wir ein ausgewachsenes Schwarzes Loch, das in einer Baby-Galaxie lebt, die eigentlich ein Baby sein sollte.

„Das macht nicht wirklich Sinn, denn diese Dinge sollten zusammenwachsen, zumindest dachten wir das.“

Diese Illustration zeigt zwei Quasare, die in der als kosmische Morgendämmerung bekannten Periode des Universums verschmelzen. (Bildnachweis: Internationales Gemini-Observatorium/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick)

Auch die Rotpunkt-Galaxien selbst sind überraschend. Sie scheinen viel kleiner zu sein als andere Galaxien, obwohl sie fast genauso viele Sterne haben. Das bedeutet, dass die Rotpunkt-Galaxien aus zwischen 10 Milliarden und 1 Billion Sternen zu bestehen scheinen, die in einer Galaxie von einigen hundert Lichtjahren Durchmesser zusammengepfercht sind, deren Volumen 1.000 Mal kleiner ist als das der Milchstraße.

Zum Vergleich: Würde die Milchstraße auf die Größe einer dieser Rotpunkt-Galaxien verkleinert, befände sich der sonnennächste Stern (Proxima Centauri, der 4,2 Lichtjahre entfernt ist) innerhalb des Sonnensystems. Außerdem würde sich der Abstand zwischen der Erde und dem supermassiven Schwarzen Loch der Milchstraße, Sgr A*, von 26.000 Lichtjahren auf nur 26 Lichtjahre verringern. Damit würden es und seine Umgebung am Nachthimmel über der Erde erscheinen.

„Diese frühen Galaxien sind so dicht mit Sternen bestückt – Sterne, die sich auf eine Art und Weise gebildet haben müssen, wie wir sie noch nie gesehen haben, unter Bedingungen, die wir niemals erwarten würden, und in einem Zeitraum, in dem wir sie niemals erwarten würden“, sagte Leja. „Und aus welchem Grund auch immer hat das Universum nach nur ein paar Milliarden Jahren aufgehört, solche Objekte zu produzieren. Sie sind einzigartig für das frühe Universum.“

Das Team beabsichtigt, seine Erkenntnisse durch weitere Beobachtungen dieser verwirrenden kleinen roten Punkte zu vertiefen, um die Geheimnisse der Punkte besser zu verstehen. Dazu gehört auch die Gewinnung tieferer Spektren, indem das JWST über längere Zeiträume auf die roten Objekte gerichtet wird, um Emissionsspektren des Lichts zu erhalten, das mit verschiedenen Elementen assoziiert ist. Dies könnte dazu beitragen, die Beiträge alter Sterne und supermassereicher schwarzer Löcher in den Galaxien zu entschlüsseln.

„Es gibt noch eine andere Möglichkeit, wie wir einen Durchbruch erzielen könnten, und das ist einfach die richtige Idee“, schloss Leja. „Wir haben all diese Puzzlestücke, und sie passen nur zusammen, wenn wir die Tatsache ignorieren, dass einige von ihnen brechen. Dieses Problem ist für einen Geniestreich geeignet, der uns, allen unseren Mitarbeitern und der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft bisher entgangen ist.

„Ehrlich gesagt ist es aufregend, dass wir noch so viel von diesem Rätsel herausfinden können.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 26. Juni in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.