Zurück zu den Ursprüngen

Die Jagd nach den entferntesten Galaxien ist also gewissermaßen kosmische Ahnenforschung. Das Hubble-Teleskop kann noch Infrarotstrahlung bis 1,7 Mikrometer detektieren und damit im Idealfall Galaxien mit Rotverschiebungen (z) bis zu etwa 11. Die Nahinfrarot-Kamera (NIRCam) des Webb-Teleskops erreicht hingegen infrarote Wellenlängen von knapp 5 Mikrometern und somit wesentlich höhere z-Werte als selbst Hubble. Und diese Werte kann der Nahinfrarot-Spektrograf (NIRSpec) auch direkt messen – dank einer raffinierten Technik sogar bis zu 200 gleichzeitig. Daher starteten gleich im ersten JWST-Beobachtungsjahr mehr als ein halbes Dutzend Projekte großer internationaler Teams, um tief in die Vergangenheit des Universums vorzustoßen. Dafür haben sich die Wissenschaftler schicke Akronyme ausgedacht und es dabei mitunter etwas übertrieben:

Ursterne in GN-z11?

Vor dem Start des Webb-Teleskops war die Galaxie GN-z11 der Distanzrekordhalter. Sie wurde 2015 von einem Team um Pascal Oesch, Universität Genf, mit dem Hubble-Weltraumteleskop entdeckt. Die Bezeichnung geht auf die zunächst geschätzte Rotverschiebung (z ≈ 11) zurück sowie auf die zugehörige Himmelsdurchmusterung GOODS-N (Great Observatories Origins Deep Survey – North) beim Hubble Deep Field.

GN-z11 war also nicht trotz, sondern wegen der gigantischen Entfernung quasi ein naheliegendes Ziel des Webb-Teleskops. Seine genauere NIRSpec-Messung ergab eine Rotverschiebung von 11,1. Die Galaxie existierte also bereits 400 Millionen Jahre nach dem Urknall. Sie war damals noch sehr klein: Die Hälfte ihrer Strahlung stammt von einem weniger als 500 Lichtjahre großen Bereich. Das JADES-Team fand auch Hinweise auf neun andere Galaxien ringsum mit ungefähr derselben Entfernung; das deutet auf eine uralte Galaxiengruppe hin.

Ein großes Thema der Kosmologie ist die Suche nach den ersten Sternen. Sie werden als Population III bezeichnet, waren riesig, kurzlebig, extrem leuchtkräftig und bestanden nur aus Wasserstoff und Helium vom Urknall, weil es damals noch keine schwereren Elemente gab (bdw 5/2023, „Die Urzeit des Universums“). Sie könnten sich anhand einer charakteristischen, hellen Emissionslinie von doppelt ionisiertem Helium bei 164 Nanometer Wellenlänge verraten.

Vielleicht gibt es im Halo der Urgalaxie GN-z11 solche Ursterne. Denn eine Studie des JADES-Teams um Roberto Maiolino von der englischen University of Cambridge fand erste Indizien für die charakteristische Helium-Signatur. Die Urgalaxie hat den JWST-Beobachtungen zufolge lediglich vier Prozent der Größe und ein Prozent der Masse unserer Milchstraße, bildet aber etwa zwanzig Mal so schnell neue Sterne. Mit einem geschätzten Sternalter von 40 Millionen Jahren scheint GN-z11 sehr rasch entstanden zu sein.

Ohne das Webb-Teleskop wären diese Messungen unmöglich. „Ein solcher Sprung in der Empfindlichkeit geschieht nur sehr selten in der Geschichte der Wissenschaft“, kommentiert Roberto Maiolino die NIRSpec-Leistung: rund 2.000 Mal besser als die bisheriger Instrumente. „Das ist, als wäre Galileo Galileis Linsenteleskop schlagartig zu einem modernen Riesenteleskop vergrößert worden.“

Überraschend und rätselhaft

Gleich nachdem die NASA am 13. Juli 2022 die Resultate der Early Release Observations (ERO) des Webb-Teleskops veröffentlicht hatte, stürzten sich Astronomen aus aller Welt auf den Datenschatz. Für Kosmologen besonders interessant ist eine lang belichtete Aufnahme von dem rund 4,3 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxienhaufen SMACS J0723.3–7327 im Sternbild Fliegender Fisch. Er war bereits vom Hubble-Teleskop im Rahmen des SMACS-Projekts (Southern MAssive Cluster Survey) ins Visier genommen worden. Weit in seinem Hintergrund ließen sich mehrere hundert sehr lichtschwache Fleckchen erkennen: überwiegend extrem ferne, teils vom Gravitationslinseneffekt lichtverstärkte Galaxien, den schon Albert Einstein beschrieben hat.

Freilich kann man ihnen ihre Distanzen nicht einfach ansehen. Allerdings gibt es eine effiziente Methode, vielversprechende Kandidaten zu finden: Helligkeitsvergleiche mit verschiedenen Filtern, die nur bestimmte Wellenlängenbereiche durchlassen. Die Abschätzung solcher photometrischen Rotverschiebungen wurde bereits 1962 beschrieben. In den letzten Jahren forcierten Astronomen diese Methode aufgrund der enormen Datenmengen, die nicht alle durch spektroskopische Nachbeobachtungen überprüft werden können. Nun wird die Methode eingesetzt, um sowohl in den ERO-Daten als auch in weiteren, speziellen Durchmusterungsprojekten wie JADES, CEERS und GLASS nach frühen Galaxien zu fahnden.

Die bislang extremsten Kandidaten hat ein Team um Haojing Yan von der University of Missouri-Columbia im Dezember 2022 in den Astrophysical Journal Letters publiziert. In der Umgebung von SMACS J0723.3–7327 fanden die Wissenschaftler auf der Basis der NIRCam-Messungen zwischen 0,9 und 4,4 Mikrometer insgesamt 87 Galaxien, deren z-Werte 11 bis über 16 betragen könnten. Ein Exemplar, F200DB-045, hat sogar eine photometrische Rotverschiebung von 20,4 – was einer Zeit von etwa 170 Millionen Jahre nach dem Urknall entspricht.

Allerdings ist noch keiner der Kandidaten spektroskopisch bestätigt worden. Das gilt auch für die meisten Galaxien, die anderen Forschergruppen bei der Rekordjagd aufgefallen waren. Einige stellten Teams um Marco Castellano vom Nationalen Institut für Astrophysik in Rom sowie um Rohan Naidu vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, und Pascal Oesch ebenfalls 2022 in den Astrophysical Journal Letters vor.

„Aufgrund all der Vorhersagen dachten wir, dass wir ein viel größeres Volumen des Weltraums durchsuchen müssten, um solche Galaxien zu finden“, kommentierte Castellano vom GLASS-Team. „Das ist ein neues Kapitel in der Astronomie. Es ist wie bei einer archäologischen Ausgrabung, bei der man plötzlich eine verlorene Stadt findet. Es ist einfach atemberaubend“, ergänzte seine Kollegin Paola Santini. Tommaso Treu von der University of California in Los Angeles teilt ihre Begeisterung: „Alles, was wir sehen, ist neu. Webb zeigt uns, dass es ein reiches Universum gibt, das weit über das hinausgeht, was wir uns vorgestellt haben“, sagte der Leiter des GLASS-Programms. „Wieder einmal hat uns das Universum überrascht. Diese frühen Galaxien sind in vielerlei Hinsicht sehr ungewöhnlich und unterscheiden sich stark von den heutigen Galaxien.“

Auch das Team um Pascal Oesch staunte: „Die extreme Helligkeit dieser Objekte ist ein echtes Rätsel, das unser Verständnis der Galaxienentstehung herausfordert“, bemerkte er. „Diese Galaxien mussten schon 100 Millionen Jahre nach dem Urknall begonnen haben, sich zu bilden“, sekundierte sein Kollege Garth Illingworth von der University of California in Santa Cruz. „Wir haben nicht erwartet, dass das Dunkle Zeitalter des Universums so früh zu Ende sein würde. Das ist nur ein Hundertstel des heutigen Alters – ein Zeitsplitter der 13,8 Milliarden Jahre währenden Geschichte des Alls.“

Kompakte Urgalaxien

Das Problem mit den ersten Rekordkandidaten war: Es gab keine Spektren von ihnen, die ihre Rotverschiebung verlässlich anzeigten und somit ihre Entfernung zu errechnen erlaubten. Die Aufnahme solcher Spektren erfordert Zeit. Inzwischen hat das Webb-Teleskop allerdings einige der Objekte ins Visier genommen und die sehnsüchtig erwarteten Spektren geliefert. Ergebnis: Die Distanzen mancher Kandidaten sind geringer, als zunächst vermutet. Andere jedoch befinden sich wirklich in gigantischen Entfernungen – teilweise weiter weg als alle jemals zuvor beobachteten Galaxien.

Eine der bislang größten und tiefsten JWST-Aufnahmen stammt vom 150-köpfigen CEERS-Team unter der Leitung von Steven Finkelstein. Die photometrische Durchmusterung von 100 Quadratbogenminuten am Himmel ergab vielversprechende Kandidaten für extrem ferne Urgalaxien mit mutmaßlichen Rotverschiebungen von 10 und mehr. Davon wurden 26 im März 2023 in den Astrophysical Journal Letters beschrieben.

Einer der Kandidaten, CEERS-93316, heißt Callums Galaxie, weil er von Callum T. Donnan vom Royal Observatory der schottischen University of Edinburgh entdeckt wurde. Diese große, helle Galaxie hat sehr starke Emissionslinien und viele schwerere Elemente. Ein anderer Kandidat ist Maisies Galaxie, die nach Finkelsteins Tochter benannt wurde. Dieses unscheinbare, unscharfe kleine Leuchtfleckchen war eines der ersten, vom Webb-Teleskop im Sommer 2022 abgelichteten Objekte, das aus uralter Zeit zu stammen schien. Die photometrische Messung legte eine enorme Rotverschiebung von 11,8 nahe.

Das CEERS-Team hatte Glück, ihm wurde JWST-Beobachtungszeit für Spektraluntersuchungen genehmigt. Im August 2023 berichteten die Forscher in der Fachzeitschrift nature über ihre Resultate. Hauptautor war Pablo Arrabal Haro vom National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory in Tucson, Arizona.

Callums Galaxie bestand den Distanztest nicht. Hier zeigte sich „eine ungewöhnliche Kombination aus Emissionslinien und Staubrötung, die die Farben nachahmt, die für viel weiter entfernte Objekte erwartet werden“, wies das CEERS-Team nach. Callums Galaxie hat z = 4,9, stammt also aus der Zeit von rund 1,2 Milliarden Jahren nach dem Urknall. Das ist früh, aber nicht extrem früh und nicht rekordverdächtig. In der gleichen Himmelsregion wurden auch drei weitere Galaxien mit derselben Rotverschiebung von 4,9 gefunden. Das könnte auf einen sehr jungen Galaxienhaufen hinweisen. Zumindest wird deutlich, dass es große, helle, entwickelte Galaxien bereits zahlreich im frühen Universum gegeben hat.

Maisies Galaxie ist tatsächlich eine ultraferne Galaxie. Sie besitzt eine Rotverschiebung von 11,4, was nur 390 Millionen Jahre nach dem Urknall entspricht. Und noch zwei weitere Galaxien aus der Zeit zwischen 400 und 500 Millionen Jahren sowie zwei aus der Zeit zwischen 600 und 650 Millionen Jahren nach dem Urknall wurden im CEERS-Feld entdeckt.

„Diese Ergebnisse untermauern die Indizien für die frühe, schnelle Entstehung von bemerkenswert leuchtkräftigen Galaxien, unterstreichen aber gleichzeitig die Notwendigkeit der spektroskopischen Überprüfung“, lautet das Fazit des Teams.

Maisies Galaxie und die anderen fernen CEERS-Objekte sind viel kleiner und kompakter als Galaxien wie die Milchstraße heute. Außerdem existierten in der Frühzeit des Universums kaum schwerere Elemente, sodass die Sterne heißer, heller und blauer waren. Solche Sterne entstanden oft in enormen Mengen, zu manchen Zeiten nahezu überall in einer Urgalaxie. Diese Starburst-Galaxien gab es auch später noch in der Geschichte des Universums und somit in geringeren Distanzen, aber eben viel seltener.

Wie viele der fernen Urgalaxien gehört Maisies Galaxie ebenfalls zu den Starburst-Galaxien. „Sie ist ein blauer, kompakter Ball aus Sternen“, beschreibt es Finkelstein. „Und sie ist heller, als wir es erwartet hatten. Das macht es einfacher, solche fernen Galaxien zu finden.“

Als nächstes will das CEERS-Team die Urgalaxien mit dem Mid-Infrared Instrument des Webb-Teleskops untersuchen. Damit lässt sich hoffentlich herausfinden, wie reich sie an schweren Elementen sind und ob sie bereits interstellare Staubkörner beherbergen.

Himmlische Rekorde purzeln

Die momentan fernsten, spektroskopisch gemessenen und somit klar bestätigten Galaxien sind GLASS-z12 im Sternbild Bildhauer und JADES-GS-z13–0 im Sternbild Fornax. Die Rotverschiebung von GLASS-z12 wurde im August 2022 mit dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Südamerika gemessen: 12,1, was 350 Millionen Jahre nach dem Urknall entspricht (die photometrische Rotverschiebung war zunächst auf 13,1 geschätzt und dann auf 12,4 korrigiert worden). ALMA registrierte dabei auch eine Emissionslinie von zweifach ionisiertem Sauerstoff bei 258,7 Gigahertz.

JADES-GS-z13–0 wurde im Oktober 2022 von Webbs NIRSpec nachbeobachtet. Das Instrument maß z = 13,2, was rund 300 Millionen Jahre nach dem Urknall entspricht. Das hat das JADES-Team um Emma Curtis-Lake von der britischen University of Hertfordshire im April 2023 in der Fachzeitschrift nature astronomy berichtet. Dies bedeutet dem Standardmodell der Kosmologie zufolge eine Lichtlaufzeit von 13,5 Milliarden Jahren und eine – aufgrund der Expansion des Weltraums seitdem viel größere – heutige Distanz von 33,6 Milliarden Lichtjahren.

Der Rekord z = 13,2 dürfte nicht lange Bestand haben, meint Marcia J. Rieke. Sie hat als Chefwissenschaftlerin der NIRCam viel zum JWST-Erfolg beigetragen und ist davon überzeugt: Unter den CEERS- und JADES-Kandidaten werden sich bald Urgalaxien mit Rotverschiebungen von 15 oder 16 identifizieren lassen – ein schwaches Leuchten aus einer Zeit, als das Universum nur 250 Millionen Jahre alt war.