Webb-Teleskop entdeckt mysteriöse Galaxien, die eigentlich nicht existieren sollten

Im Februar 2023 gab das Magazin Nature eine wichtige Entdeckung des Webb-Teleskops bekannt: Es entdeckte einige Galaxien mit hoher Rotverschiebung, die eigentlich nicht existieren sollten. Die Masse der Sterne in diesen Galaxien ist so groß, dass sie ausreicht, um unser bisheriges Verständnis des Universums auf den Kopf zu stellen. Warum kann die Existenz massereicher Sterne schon früh unsere Sicht auf das Universum verändern?

Um über diese Galaxien zu sprechen, müssen wir zunächst mit unserem Verständnis des Universums beginnen. Das Urknallmodell geht davon aus, dass das Universum durch die Ausdehnung einer dichten und heißen Singularität nach einem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren entstanden ist. Sein Vorschlag basiert tatsächlich auf einer Reihe von Beobachtungsdaten. Im Jahr 1924 entdeckte der amerikanische Astronom Hubble erstmals, dass die Entfernung zwischen der Andromedagalaxie und unserer Erde zu diesem Zeitpunkt größer war als die Ausdehnung der Milchstraße, wie wir sie kennen. Daher schlug er vor, dass es sich bei der Andromedagalaxie tatsächlich um eine Galaxie außerhalb der Milchstraße handele. Danach entdeckte Hubble weitere extragalaktische Galaxien. Er entdeckte nicht nur weitere extragalaktische Galaxien, sondern auch ein erstaunliches Phänomen: Je weiter die Galaxie von unserer Milchstraße entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich von unserer Milchstraße. Dies ist das, was wir heute als Hubble-Gesetz kennen.

Auf Grundlage dieser Beobachtungen schlug der amerikanische Physiker Gamow im Jahr 1946 offiziell das Urknall-Universummodell vor. Zu Beginn der Explosion konnte Materie nur in Form von Elementarteilchen wie Neutronen, Protonen, Elektronen, Photonen und Neutrinos existieren. Die kontinuierliche Ausdehnung nach dem Urknall führte zu einem rapiden Abfall von Temperatur und Dichte. Wenn die Temperatur sinkt und es abkühlt, werden nach und nach Atome und Moleküle gebildet und dann wieder zu normalem Gas kombiniert. Das Gas verdichtete sich allmählich zu Nebeln, aus denen sich wiederum verschiedene Sterne und Galaxien bildeten und schließlich das Universum entstand, das wir heute sehen.

Im Jahr 1964 empfingen Penzias und Wilson von der American Bell Telephone Company unerwartet ein Funkstörgeräusch, als sie Fehler an einer riesigen hornförmigen Antenne feststellten. Die Signalstärke war in alle Richtungen gleich und blieb mehrere Monate lang unverändert. Nach vielen Bemühungen wurde ihnen später klar, dass es sich hierbei um das Relikt unseres Urknalls handelte, das bis heute erhalten geblieben ist.

In den 1970er Jahren vermutete die amerikanische Astronomin Vera Rubin die Existenz dunkler Materie, indem sie die Bewegung von Sternen in nahegelegenen Galaxien beobachtete. Mehr als 20 Jahre später entdeckten Wissenschaftler aus den USA und Australien, dass sich unser gegenwärtiges Universum nicht langsamer ausdehnt, sondern mit zunehmender Geschwindigkeit. Basierend auf dieser Beobachtung gingen sie außerdem von der Existenz dunkler Energie in unserem Universum aus. Aufgrund der dunklen Energie begann das Universum vor sechs Milliarden Jahren, sich beschleunigt auszudehnen. Dies ist der grundlegende gesunde Menschenverstand der Kosmologie, wie wir sie heute kennen.

Sonnensystem, Bild von Tuchong.com

Unser Universum sollte also nach unserem Verständnis aus drei Arten bestehen: normaler Materie, dunkler Materie und dunkler Energie. Soweit wir wissen, haben auch die Sterne und Galaxien in unserem Universum einen Prozess vom Nichts zum Etwas durchlaufen. Da die Temperatur im frühen Universum eine Zeit lang sehr hoch war, gab es keine Sterne und Galaxien. Erst später, als sich das Universum ausdehnte, sank die Gastemperatur allmählich. Das aktuelle kosmologische Modell geht davon aus, dass Sterne und Galaxien entstanden sind. Allerdings waren Galaxien am Anfang relativ klein. Aufgrund von Kollisionen zwischen Galaxien wurden Galaxien im Laufe der Zeit größer. Wir können also sehen, dass es auch einen Prozess vom Kleinen zum Großen durchlief, und dies ist das Universumsmodell, an das wir jetzt denken. Eines unserer Ziele ist es, das frühe Universum zu verstehen. Deshalb wurde 2021 das Webb-Teleskop gestartet, mit dem man das frühe Universum beobachten kann.

Beobachtungen mit dem Webb-Teleskop haben ergeben, dass die Masse der Galaxien erwartungsgemäß sehr gering gewesen sein dürfte, als das Universum nur 3 % seines heutigen Alters hatte. Allerdings betrug die Masse der Sterne in den entdeckten Galaxien das Zehn-Milliarden-Fache der Sonnenmasse. Die Masse der Sterne in einer Galaxie kann sogar 100 Milliarden Mal so groß sein wie die der Sonne, was in etwa der Masse der Milchstraße entspricht. Wissenschaftler haben insgesamt sechs ähnliche Galaxien entdeckt, was das menschliche Verständnis vom Ursprung der Galaxien im Universum verändern könnte. Wissenschaftler bezeichnen diese Galaxien als „kosmische Regelbrecher“, da sie 99 % der bestehenden kosmologischen Modelle widersprechen. Sie spekulierten, dass es sich bei einigen um supermassereiche Schwarze Löcher handeln könnte, doch sechs davon gleichzeitig zu finden, erschien unwahrscheinlich, und bei einigen von ihnen könnte es sich durchaus um echte Galaxien handeln.

Die in der neuen Studie entdeckten Sterne sind 100-mal massereicher als Wissenschaftler bisher angenommen hatten. Der Wissenschaft zufolge dürften solche Galaxien so kurz nach der Entstehung des Universums nicht so groß geworden sein. Wir hatten erwartet, zu diesem Zeitpunkt lediglich winzige, junge Babygalaxien zu finden, doch stattdessen entdeckten wir Galaxien, die so ausgereift waren wie unsere eigene Milchstraße, und zwar zu einer Zeit, die man bislang als die Morgendämmerung des Universums betrachtete. Natürlich sind weitere Beobachtungen erforderlich, um die Ergebnisse dieser Beobachtung zu bestätigen.

Wenn diese Galaxien weiter bestätigt werden können, bedeutet dies, dass das Verständnis der Menschheit hinsichtlich der Evolutionsgeschichte des frühen Universums möglicherweise falsch ist und dass sich Galaxien viel schneller entwickeln, als die Menschheit annimmt. Dies erfordert eine Änderung bisheriger kosmischer Modelle oder eine Änderung des menschlichen Verständnisses der Entstehung von Galaxien.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Gou Lijun (Professor an der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

Gutachter: Han Wenbiao (Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.