Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) hat eine fundamentale Annahme über den Urzustand des Kosmos widerlegt. Neue spektroskopische Analysen zeigen, dass das intergalaktische Medium bereits wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall mit schweren Elementen durchsetzt war – viel früher, als es die gängigen Modelle der Astrophysik vorsahen. Die Entdeckung verschiebt die etablierte Zeitachse für die chemische Evolution des Universums und erklärt zugleich ein jahrzehntelanges Rätsel der Astronomie: das Fehlen der allerersten Sterngeneration.
Spektralanalyse belegt frühe Anreicherung mit schweren Elementen
Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Yongda Zhu von der University of Arizona in Tucson nutzte das JWST, um drei extrem weit entfernte Galaxien zu beobachten. Deren Licht benötigte mehr als 13 Milliarden Jahre, um die Erde zu erreichen, und zeigt den Kosmos zu einem Zeitpunkt, als dieser gerade einmal 500 Millionen Jahre alt war – rund drei Prozent seines heutigen Alters.
In dieser Epoche, der sogenannten Reionisationsphase, begannen die ersten Sterne das umgebende Wasserstoffgas zu ionisieren, sodass sich Licht erstmals frei durch das Universum bewegen konnte. Bislang gingen Astronomen davon aus, dass dieses intergalaktische Gas in jener Ära noch nahezu unberührt und primordial gewesen sei, also fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium bestanden habe. Die JWST-Daten widerlegen diese Annahme nun.
Die Forscher nutzten die fernen Galaxien als Hintergrundlichtquellen. Das Licht dieser Objekte passierte auf seinem Weg zur Erde das umgebende Gas, wobei die darin enthaltenen chemischen Elemente charakteristische Absorptionsmuster in den Spektren hinterließen. Möglich wurde diese detaillierte Messung nur durch die Infrarotkapazitäten des JWST und eine ungewöhnlich lange Belichtungszeit von knapp 30 Stunden. Zhu durchsuchte die resultierenden Spektren manuell und identifizierte eindeutige Signaturen von Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium.
Die relative Häufigkeit dieser Elemente lieferte einen weiteren entscheidenden Hinweis. Die beobachteten Absorptionslinien waren im Spektrum blauverschoben, was einen klaren mechanischen Vorgang belegt: Das Gas bewegte sich mit Geschwindigkeiten zwischen 50 und 250 Kilometern pro Sekunde von den Galaxien weg nach außen in den intergalaktischen Raum.
Der Baryonenkreislauf in der Frühphase des Universums
Kurz nach dem Urknall bestand das Universum tatsächlich fast ausschließlich aus den leichtesten Elementen Wasserstoff und Helium. Alle schwereren Elemente – in der Astronomie vereinfachend als Metalle bezeichnet – entstanden erst später durch Kernfusion im Inneren der ersten Sterne. Wenn diese extrem massereichen Sterne am Ende ihrer kurzen Lebensdauer als Supernovae explodierten, schleuderten sie Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium in den umliegenden Weltraum.
Dieser fortwährende Materialaustausch zwischen Galaxien und ihrer Umgebung wird als Baryonenkreislauf bezeichnet. Die neuen Beobachtungen zeigen, dass dieser Kreislauf bereits nach 500 Millionen Jahren vollständig in Gang war und das intergalaktische Medium großflächig mit Metallen anreicherte.
| Element | Nachweis im frühen Universum | Bedeutung |
|---|---|---|
| Kohlenstoff | Eindeutige Absorptionslinie | Grundbaustein organischer Verbindungen |
| Sauerstoff | Eindeutige Absorptionslinie | Häufigstes Element nach Wasserstoff und Helium |
| Silizium | Eindeutige Absorptionslinie | Wichtiger Bestandteil von Gesteinsplaneten |
Die Suche nach den ersten Sternen der Population III
Diese Entdeckung könnte ein seit Jahrzehnten ungelöstes Problem der Astronomie erklären: das vollständige Fehlen der sogenannten Population-III-Sterne. Diese allerersten Sterne des Universums müssten theoretisch ausschließlich aus Wasserstoff und Helium bestanden haben, da in der Frühphase noch keine schwereren Elemente existierten. Trotz intensiver Suche mit den leistungsfähigsten Teleskopen konnten sie bislang nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden.
Yongda Zhu veranschaulicht den Sachverhalt mit einem prägnanten Vergleich. Er zieht eine Parallele zu Lebensmittelfarbe, die in ein Glas Wasser tropft und sich dort unweigerlich ausbreitet. In einem weiteren Bild beschreibt er den Prozess mit reinem Vanilleeis, in das man bunte Streusel mischt. Schon nach kurzer Zeit sei kein komplett unberührtes Vanilleeis mehr zu finden. Genau das, so Zhu, geschah mit dem primordialen Gas im frühen Universum.
Wenn die ersten Galaxien ihre Umgebung bereits nach 500 Millionen Jahren kontinuierlich mit schweren Elementen anreicherten, war das absolut reine Gas möglicherweise schlicht nicht lange genug vorhanden. Die Existenzbedingungen für die Population-III-Sterne waren damit nur in einem extrem kurzen Zeitfenster gegeben. Die heutigen Teleskope blicken jedoch in eine Epoche, in der dieses Fenster bereits geschlossen war.
Die veröffentlichten Ergebnisse bedeuten nicht, dass die grundlegenden kosmologischen Modelle zur Entstehung des Universums falsch sind. Sie verschieben jedoch die Zeitachse für die chemische Anreicherung drastisch nach vorn und zwingen die Astronomie dazu, ihre Suchstrategien anzupassen. Die Identifizierung der allerersten Sterne wird durch diese überraschend frühe kosmische Verunreinigung noch komplexer, als ohnehin angenommen wurde. Die Forscher müssen sich auf langwierigere Beobachtungen und ausgefeiltere Filtertechniken einstellen, um die Nadel im Heuhaufen des frühen Universums doch noch zu finden.
