Die heutige Entdeckung des NASA-Weltraumteleskops James Webb (JWST) hat leuchtende, sehr rote Objekte im frühen Universum entdeckt, die konventionelle Vorstellungen über die Entstehung und Evolution von Galaxien und deren supermassereichen Schwarzen Löchern in Frage stellen.

Ein internationales Team unter der Leitung von Forschern der Penn State University, das das NIRSpec-Instrument auf dem JWST im Rahmen der RUBIES-Untersuchung nutzte, identifizierte drei mysteriöse Objekte im frühen Universum, etwa 600-800 Millionen Jahre nach dem Urknall, als das Universum erst 5 % seines heutigen Alters war. Die Entdeckung wurde am 27. Juni im Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Das Team untersuchte spektrale Messungen, d. h. die Intensität verschiedener Lichtwellenlängen, die von den Objekten emittiert wurden. Ihre Analyse fand Signaturen „alter“ Sterne, die Hunderte Millionen Jahre alt sind, viel älter als im jungen Universum erwartet.

Die Forscher waren auch überrascht, Signaturen großer supermassereicher Schwarzer Löcher in denselben Objekten zu entdecken, die schätzungsweise 100 bis 1.000 Mal massereicher sind als das supermassereiche Schwarze Loch in unserer Milchstraße. Keine dieser Entdeckungen war nach den aktuellen Modellen des Galaxienwachstums und der Bildung supermassereicher Schwarzer Löcher zu erwarten, die davon ausgehen, dass Galaxien und ihre Schwarzen Löcher über Milliarden Jahre kosmischer Geschichte gemeinsam wachsen.

„Wir haben bestätigt, dass diese Objekte mit uralten Sternen gefüllt sind – Hunderte Millionen Jahre alt – in einem Universum, das erst 600-800 Millionen Jahre alt ist. Unglaublich, diese Objekte halten den Rekord für die frühesten Signaturen alten Sternenlichts", sagte Bingjie Wang, Postdoktorandin an der Penn State und Hauptautorin der Studie. „Es war völlig unerwartet, alte Sterne im sehr jungen Universum zu finden. Standardmodelle der Kosmologie und Galaxienbildung waren unglaublich erfolgreich, aber diese leuchtenden Objekte passen nicht in diese Theorien.“

Die Forscher bemerkten die massereichen Objekte erstmals im Juli 2022, als das JWST den ersten Datensatz veröffentlichte. Das Team veröffentlichte einige Monate später eine Arbeit in der Zeitschrift Nature, in der es die Existenz der Objekte ankündigte.

Zu dieser Zeit vermuteten die Forscher, dass die Objekte Galaxien seien, setzten aber die Spektrumanalyse fort, um die tatsächlichen Entfernungen der Objekte sowie die Quellen ihres enormen Lichts besser zu verstehen.

Das Team nutzte dann neue Daten, um ein klareres Bild davon zu zeichnen, wie Galaxien aussahen und was sich in ihnen befand. Sie bestätigten nicht nur, dass die Objekte tatsächlich Galaxien nahe dem Anfang der Zeit waren, sondern fanden auch Hinweise auf überraschend große supermassereiche Schwarze Löcher und eine überraschend alte Sternpopulation.

„Das ist sehr verwirrend“, sagte Joel Leja, außerordentlicher Professor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State und Mitautor beider Arbeiten. „Man kann sie nur schwer in unser aktuelles Modell des Universums einpassen, es sei denn, man beschwört eine exotische, unglaublich schnelle Formation am Anfang der Zeit. Dies ist zweifellos die ungewöhnlichste und faszinierendste Gruppe von Objekten, die ich in meiner Karriere gesehen habe.“

Das JWST ist mit Infrarotlichtdetektoren ausgestattet, die das Licht der ältesten Sterne und Galaxien erkennen können. Im Wesentlichen ermöglicht das Teleskop den Wissenschaftlern, etwa 13,5 Milliarden Jahre zurückzublicken, nahe dem Beginn des Universums, wie wir es kennen, sagte Leja.

Eine der Herausforderungen bei der Analyse des uralten Lichts besteht darin, die Arten von Objekten, die das Licht emittiert haben könnten, unterscheiden zu können. Im Falle dieser frühen Objekte haben sie klare Eigenschaften sowohl von supermassereichen Schwarzen Löchern als auch von alten Sternen. Wang erklärte jedoch, dass noch unklar ist, wie viel Licht von jeder Quelle stammt – was bedeutet, dass es sich entweder um frühe Galaxien handeln könnte, die unerwartet alt und massereich sind, sogar mehr als unsere Milchstraße, die sich viel früher bildeten als die Modelle vorhersagen, oder es könnten normale Galaxien mit „zu massiven“ Schwarzen Löchern sein, die etwa 100 bis 1.000 Mal massereicher sind, als eine solche Galaxie heute haben sollte.

„Die Unterscheidung des Lichts, das von Material kommt, das in ein Schwarzes Loch fällt, und des Lichts, das von Sternen in diesen kleinen, entfernten Objekten emittiert wird, ist schwierig“, sagte Wang. „Diese Unfähigkeit zur Unterscheidung in den aktuellen Daten lässt viel Raum für die Interpretation dieser faszinierenden Objekte. Ehrlich gesagt, es ist aufregend, so viel zu klären zu haben.“

Zusätzlich zu ihrer unerklärlichen Masse und ihrem Alter, wenn ein Teil des Lichts tatsächlich von supermassereichen Schwarzen Löchern stammt, dann sind sie auch keine normalen supermassereichen Schwarzen Löcher. Sie produzieren viel mehr ultraviolette Photonen als erwartet, und ähnliche Objekte, die mit anderen Instrumenten untersucht wurden, haben keine charakteristischen Signaturen supermassereicher Schwarzer Löcher wie heiße Staubwolken und starke Röntgenstrahlung. Aber am überraschendsten ist wohl, wie massereich sie sind, sagten die Forscher.

„Normalerweise sind supermassereiche Schwarze Löcher mit Galaxien gepaart“, sagte Leja. „Sie wachsen zusammen und durchlaufen alle ihre Hauptlebensphasen gemeinsam. Aber hier haben wir ein vollständig ausgebildetes erwachsenes Schwarzes Loch in einer Galaxie, die eigentlich ein Kind sein sollte. Das ergibt keinen Sinn, da diese Dinge zusammen wachsen sollten, oder zumindest dachten wir das.“

Die Forscher waren auch von den unglaublich kleinen Größen dieser Systeme verwirrt, nur wenige hundert Lichtjahre im Durchmesser, etwa 1.000 Mal kleiner als unsere Milchstraße. Die Sterne sind etwa genauso zahlreich wie in unserer Milchstraße — mit irgendwo zwischen 10 Milliarden und 1 Billion Sternen — aber in einem Volumen enthalten, das 1.000 Mal kleiner ist als die Milchstraße.

Leja erklärte, dass, wenn man die Milchstraße auf die Größe der gefundenen Galaxien komprimieren würde, der nächste Stern fast in unserem Sonnensystem wäre. Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, etwa 26.000 Lichtjahre entfernt, wäre nur etwa 26 Lichtjahre von der Erde entfernt und würde am Himmel als riesige Lichtsäule sichtbar sein.

„Diese frühen Galaxien wären so dicht mit Sternen besetzt — Sterne, die auf eine Weise entstanden sein mussten, die wir noch nie gesehen haben, unter Bedingungen, die wir nie erwartet hätten, und zu einer Zeit, in der wir sie nie erwartet hätten“, sagte Leja. „Und aus irgendeinem Grund hat das Universum aufgehört, solche Objekte nach nur wenigen Milliarden Jahren zu erschaffen. Sie sind einzigartig im frühen Universum.“

Die Forscher hoffen auf weitere Beobachtungen, die helfen könnten, einige der Rätsel dieser Objekte zu erklären. Sie planen, tiefere Spektren aufzunehmen, indem sie das Teleskop für längere Zeiträume auf die Objekte richten, was helfen wird, die Emissionen der Sterne und möglichen supermassereichen Schwarzen Löcher zu unterscheiden, indem spezifische Absorptionssignaturen identifiziert werden, die in jedem von ihnen vorhanden wären.

„Es gibt noch eine andere Möglichkeit, wie wir einen Durchbruch erzielen könnten, und das ist einfach die richtige Idee“, sagte Leja. „Wir haben all diese Puzzleteile und sie passen nur zusammen, wenn wir ignorieren, dass einige von ihnen kaputt sind. Dieses Problem ist reif für einen genialen Schachzug, der uns bisher entgangen ist, unseren Mitarbeitern und der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft.“

Wang und Leja erhielten Fördermittel aus dem General Observers-Programm der NASA. Die Forschung wurde auch vom Internationalen Institut für Weltraumwissenschaften in Bern unterstützt. Die Arbeit basiert teilweise auf Beobachtungen, die mit dem NASA/ESA/CSA-Weltraumteleskop James Webb gemacht wurden. Die Berechnungen für die Forschung wurden auf dem Supercomputer Roar des Instituts für Informatik und Datenwissenschaften an der Penn State durchgeführt.

Weitere Koautoren der Studie sind Anna de Graaff vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Deutschland; Gabriel Brammer vom Cosmic Dawn Center und dem Niels-Bohr-Institut; Andrea Weibel und Pascal Oesch von der Universität Genf; Nikko Cleri, Michaela Hirschmann, Pieter van Dokkum und Rohan Naidu von der Yale University; Ivo Labbé von Stanford; Jorryt Matthee und Jenny Greene von Princeton; Ian McConachie und Rachel Bezanson von der Universität Pittsburgh; Josephine Baggen von der Texas A&M University; Katherine Suess vom Observatoire de Sauverny in der Schweiz; David Setton vom Kavli-Institut für Astrophysik und Weltraumforschung am MIT; Erica Nelson von der University of Colorado; Christina Williams vom National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory der US-amerikanischen National Science Foundation und der University of Arizona.

Quelle: Pennsylvania State University