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ASTRONOMIE: BLICK IN DIE KINDERSTUBE DES KOSMOS


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 5/2019 vom 20.04.2019

Forscher haben extrem weit entfernte Galaxien aufgespürt, die ein Fenster in eine bislang unbekannte Epoche der kosmischen Frühzeit öffnen.


Artikelbild für den Artikel "ASTRONOMIE: BLICK IN DIE KINDERSTUBE DES KOSMOS" aus der Ausgabe 5/2019 von Spektrum der Wissenschaft. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 5/2019

Riesige Massen wie Galaxienhaufen verformen die Raumzeit. Das Licht dahinterliegender Objekte wird dadurch wie von einer Linse gebündelt. So lassen sich extrem weit entfernte Galaxien beobachten.


Dan Coe ist Astronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore in den USA. Er ist Chefwissenschaftler des Projekts RELICS, des Reionization Lensing Cluster Survey.


► spektrum.de/artikel/1634758

AUF EINEN BLICK: DIE ERSTEN GALAXIEN

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1 Mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops hat ein Team von Astronomen 300 Galaxien im jungen Universum aufgespürt.

2 Die Forscher machten sich dabei Gravitationslinsen zu Nutze – Regionen mit massereichen kosmischen Objekten, die das Licht weiter entfernter Strahlungsquellen verstärken.

3 Noch immer klafft eine Lücke in der kosmischen Geschichte: Die ersten 400 Millionen Jahre nach dem Urknall werden erst für künftige Teleskope zugänglich.

Wir stehen kurz davor, eine vollständige Geschichte des Kosmos niederschreiben zu können. Denn Astronomen haben jetzt Galaxien zu einer Zeit beobachtet, die lediglich 3,5 Prozent des Weltalters von 13,8 Milliarden Jahren entspricht. Das Licht einer dieser Galaxien, ihre Katalogbezeichnung lautet SPT0615-JD, begann seine Reise zur Erde vor unglaublichen 13,3 Milliarden Jahren. Im Jahr 2017 erreichte es das Weltraumteleskop Hubble.

Die Beobachtung stellt eines der Highlights eines Projekts namens RELICS dar (Reionization Lensing Cluster Survey), an dem ich maßgeblich beteiligt war und das einige der ersten Galaxien im Kosmos aufspüren sollte. Zwischen Oktober 2015 und Oktober 2017 nutzte das RELICS-Team dazu mehr als 100 Stunden Beobachtungszeit am Hubble-Teleskop sowie mehr als 900 Stunden Beobachtungszeit am Spitzer Space Telescope.

Insgesamt lieferte uns das Projekt 300 Kandidaten für Galaxien mit einer Entstehungszeit in der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall. Diese extrem weit entfernten Himmelsobjekte sind so faszinierend, weil sie einen Einblick in eine noch völlig unbekannte Ära der kosmischen Geschichte geben. Durch sie können wir etwas darüber lernen, wie die ersten Galaxien entstanden sind und wie sie das junge Universum um sich herum beeinflusst haben.

So gehen wir beispielsweise davon aus, dass Galaxien wie SPT0615-JD das Weltall entscheidend verändert haben: Sie sendeten ultraviolette Strahlung aus, die vermutlich vom umgebenden Gas absorbiert wurde. Das ionisierte neutrale Wasserstoffatome, sie spalteten sich also wieder in Protonen und Elektronen auf.

Astronomen bezeichnen diesen Vorgang als Reionisierung, weil Elektronen und Protonen nach dem Urknall zunächst ebenfalls getrennt voneinander waren, bis der Kosmos weit genug abgekühlt war, um neutrale Atome zu formen. Wie und wann genau die Reionisierung ablief, ist bislang unklar. Mit etwas Glück könnten die Galaxien, die wir im jungen Kosmos beobachten, uns Antworten darauf liefern.

Die frühen Galaxien waren ganz anders als die heutigen, die wir um uns herum sehen. Sie waren homogener und bestanden hauptsächlich aus Wasserstoff, dem leichtesten Element im Kosmos. Im Lauf der Zeit fusionierten dann diese Atome in den Sternen, wodurch sich schwerere Elemente bildeten. Als die ersten Sterne am Ende ihres Lebens in Supernova-Explosionen vergingen, verteilten diese die schwereren Elemente im Weltall, darunter jene Stoffe, die für die Entstehung von Leben nötig sind.

Auch die Struktur der Galaxien war eine andere: Die ersten von ihnen mussten sich noch zu jenen majestätischen Spiralen oder geschwollenen Ellipsoiden entwickeln, die wir im heutigen Kosmos sehen. Sie waren weniger geordnet und viel kleiner – was es schwerer macht, sie aufzuspüren. Die ersten Galaxien, von denen wir bislang wissen, maßen nur etwa ein Prozent unserer Milchstraße. Aber zu dem Zeitpunkt, zu dem wir sie beobachten, wuchsen sie rasant an und bildeten mit einer erstaunlich großen Rate neue Sterne. Diese Pioniere waren massereicher als die heutigen Sterne, sie enthielten vermutlich das Zigfache der Masse unserer Sonne. Kernbrennstoff war damals reichlich vorhanden, da den frühen Galaxien in großen Mengen kaltes Wasserstoffgas zuströmte.

Zudem stießen die Galaxien oft zusammen und verschmolzen miteinander, was ihr Wachstum beschleunigte und zu geradezu explosiver Entstehung neuer Sterne führte. Mit der Expansion des Universums verlangsamte sich das Wachstum der Galaxien dann, Verschmelzungen wurden seltener, und der Zustrom von Gas ebbte ab. Dafür entstanden Planeten und auf mindestens einem von ihnen auch Lebewesen, die sich Gedanken über die Geschichte des Universums machen.

So oder so ähnlich stellen wir uns die Entwicklung des Kosmos vor. Viele Einzelheiten in der fernen Vergangenheit sind aber noch unklar: Wann bildeten sich die ersten Galaxien? Wie groß waren sie, und wie sahen sie aus? Waren sie die »Bausteine« für spätere Galaxien, mit jeweils einer einzigen großen Region, in der Sterne entstanden? Fand in allen von ihnen eine explosionsartige Entstehung von Sternen statt – oder waren manche Galaxien ruhiger, ähnlich wie heutige Exemplare?

Ebenfalls offen ist, ob die damaligen Galaxien Zeit genug hatten, eine scheibenförmige Struktur auszubilden, wie die Milchstraße sie zeigt; möglicherweise kam es dazu auch zu häufig zu Verschmelzungen. Eine spannende Frage ist zudem, ob wir jemals eine Galaxie mit reinem Wasserstoffgas finden werden oder ob die ersten Supernovae die jungen Sterninseln dafür zu schnell mit schwereren Elementen angereichert haben. Andere Unklarheiten betreffen die Rate, mit der die Masse und Anzahl der Galaxien zunahmen, und die Frage, ob sie tatsächlich für die Reionisierung des Universums verantwortlich waren.

Gewaltige Galaxien dienen als kosmische Vergrößerungsgläser

Es gibt also noch viel zu erforschen im jungen Universum. Mit RELICS hofften wir Antworten zu finden. Unser Projekt macht sich so genannte Gravitationslinsen zu Nutze, um weit in die Vergangenheit zu schauen. Dabei handelt es sich um natürliche Vergrößerungsgläser in Form massereicher Galaxienhaufen. Diese Ansammlungen von etlichen Sterninseln enthalten so viel Masse, dass sie mit ihrer Gravitation Raum und Zeit gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein stark verbiegen.

Die Strahlung eines weiter entfernten Objekts folgt den Krümmungen der Raumzeit und wird auf diese Weise gebündelt und verstärkt. Wenn die Strahlung schließlich die Erde erreicht, sieht das Objekt hinter dem Galaxienhaufen verzerrt und auseinandergezogen aus – mitunter erscheinen sogar mehrere Bilder von ihm. Das Phänomen mag abstrakt erscheinen, aber wir kennen etwas Ähnliches aus unserem Alltag: Blickt man durch den Boden eines Weinglases auf eine Kerzenflamme, so sieht man mehrere verzerrte Bilder von ihr. Hier lenkt das Glas die Lichtstrahlen um.

Per Gravitationslinse vergrößerte Galaxien sind heller und zeigen mehr Einzelheiten als solche auf gewöhnlichen Teleskopaufnahmen. Wir können dadurch Objekte beobachten, die sonst zu weit entfernt und zu leuchtschwach wären, um für uns sichtbar zu sein. Ein weiterer Vorteil: In Regionen, die durch den Gravitationslinseneffekt vergrößert werden, lassen sich Galaxien effizienter aufspüren als in auf den ersten Blick »leeren« Himmelsflecken, wie sie das Hubble-Teleskop im Rahmen seiner Deep-Fields-Aufnahmen immer wieder anvisiert hat.

Roter Fleck: Bei dieser schwachen Schliere in einer Aufnahme des Weltraumteleskops Hubble handelt es sich um SPT0615-JD, eine der am weitesten von uns entfernten bekannten Galaxien.


NASA/ESA/STSCI/B. SALMON (PHOTOJOURNAL.JPL.NASA.GOV/CATALOG/PIA22079)

Das ist nicht so einfach zu verstehen – zumal der Blick durch eine Gravitationslinse auch einen Nachteil mit sich bringt. Die Verstärkung durch die Gravitationslinse macht einerseits zuvor unsichtbare leuchtschwache Galaxien heller und damit sichtbar. Zugleich aber führt die Vergrößerung per Gravitationslinse dazu, dass wir einen kleineren Bereich des Himmels mit entsprechend weniger Galaxien betrachten. Das reduziert die Chance, eine davon zu finden.

Welcher der beiden Effekte bestimmt nun den Erfolg bei der Galaxienjagd? Wenn es ausreichend viele leuchtschwache Galaxien gibt, dann dominiert der Verstärkungseffekt und kompensiert den Verlust an Fläche über. Glücklicherweise gab es im jungen Universum sehr viele kleine, leuchtschwache Galaxien. Das macht es vergleichsweise unwahrscheinlich, dass wir mit unserer Technik ins Leere blicken.

Drei der umfangreichsten Programme, die in den vergangenen sieben Jahren mit dem Hubble-Teleskop durchgeführt wurden, haben die Gravitationslinsenwirkung von Galaxienhaufen für die Suche nach weit entfernten Galaxien genutzt. Im Rahmen aller dieser Programme haben Wissenschaftler auch Beobachtungen des Weltraumteleskops Spitzer genutzt, das im Infrarotbereich arbeitet, also bei größeren Wellenlängen als Hubble.

Das erste dieser Programme, der Cluster Lensing and Supernova Survey (CLASH), lief über drei Jahre. Unter der Leitung von Marc Postman beobachtete das Team 25 Galaxienhaufen. Ich half dabei, den Antrag für das Projekt zu schreiben und die gewonnenen Aufnahmen zu analysieren. Dabei entdeckte ich im Jahr 2012 die Galaxie MACS0647-JD, die ihr Licht, das wir heute empfangen, gerade einmal 420 Millionen Jahre nach dem Urknall ausgesendet hat.

Damit war sie eine Weile die am weitesten entfernte bekannte Galaxie, übertroffen erst 2016, als Pascal Oesch von der Yale University eine Galaxie aufspürte, die ihre Strahlung noch einmal 20 Millionen Jahre früher auf den Weg geschickt hat. Oesch gelang die Entdeckung im Rahmen des Cosmic Assembly Near-Infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS), bei dem das Hubble-Teleskop relativ leere Himmelsregionen absucht, also ohne die Hilfe starker Gravitationslinsen.

Nach den Erfolgen von CLASH half ich dabei, Charles Mattias Mountain, damals Direktor des Space Telescope Science Institute, davon zu überzeugen, beim nächsten großen Hubble-Projekt eine andere Strategie zu fahren. »Frontier Fields« sollte in die Fußstapfen der berühmten Hubble-Deep-Fields-Programme treten, die sich die leersten Regionen am Himmel vorgenommen hatten. In diesen gibt es keine hellen, nahen Galaxien (womit Entfernungen von bis zu mehreren Milliarden Lichtjahren gemeint sind), die unseren Blick in größere Entfernungen behindern könnten.

Das erste Bild des Hubble-Deep-Fields-Programms, eine Kombination von 342 Bildern, aufgenommen im Verlauf von zehn Tagen im Jahr 1995, war eine Offenbarung: In einem vermeintlich leeren Himmelsausschnitt, deren Ausdehnung der Größe eines Sandkorns in einer Armlänge Abstand entspricht, zeigten sich etwa 3000 Galaxien. Das nachfolgende Hubble Deep Field South und das Ultra Deep Field vermieden ebenso sorgfältig alle »nahen« Galaxien und offenbarten eine ähnliche Vielfalt.

Das Frontier-Fields-Programm sollte mit der Tradition der leeren Himmelsflecken brechen. In seinem Rahmen untersuchten Astronomen sechs Himmelsregionen, in denen sich die dichtesten Ansammlungen von Galaxien befinden, die uns in drei bis fünf Milliarden Lichtjahren Entfernung bekannt sind. Zusätzlich beobachteten sie sechs relativ leere Regionen in der Nachbarschaft der anderen Felder.

Frontier Fields wandelte die vermeintliche Schwäche der störenden Vordergrundobjekte in eine Stärke um: Die Galaxienhaufen im Bild verstärkten die Fähigkeiten der beiden Teleskope Hubble und Spitzer mit Hilfe des Gravitationslinseneffekts, so dass die Teleskope viele weit entfernte Galaxien aufspüren konnten – darunter die kleinsten und leuchtschwächsten Galaxien, die wir bisher kennen.

Relikte der Vergangenheit

Nachdem CLASH und Frontier Fields bereits liefen, war zunächst unklar, ob die Gemeinschaft der Astronomen ein weiteres großes Hubble-Projekt zur Beobachtung von Galaxienhaufen befürworten würde. Doch viele massereiche Galaxienhaufen waren bis dahin weder mit Hubble noch im Infrarotlicht beobachtet worden. Und just in diesem Bereich des elektromagnetischen Spektrums sollte man besonders ferne Galaxien aufspüren können. Schließlich wird die Wellenlänge von Strahlung durch die Expansion des Weltalls ständig gestreckt, was bei sichtbarem Licht einer Verschiebung hin zum Infraroten gleichkommt.

Die Galaxienhaufen stellten also gewissermaßen eine Reihe natürlicher Teleskope dar – und wir hatten uns bei unserer Suche nach fernen Galaxien bislang nicht die Mühe gemacht, durch sie hindurchzuschauen. Auf die Galaxienhaufen war ich 2015 durch Daten des europäischen Planck-Satelliten gestoßen, der einen Katalog der großen Ansammlungen von Galaxien erstellt hatte. Planck ist zwar eher für seine detailreiche Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung berühmt. Doch Galaxienhaufen verzerren diese Hintergrundstrahlung, daher konnten die Wissenschaftler anhand der Planck-Messungen rund 1000 von ihnen aufspüren.

Die meisten dieser Ansammlungen waren zwar bereits bekannt, bei einigen handelte es sich jedoch um neue Entdeckungen. Der massereichste Galaxienhaufen in dem Katalog, Abell 2163, war nur mit Hubble im sichtbaren Bereich beobachtet worden, nicht aber im Infraroten. Und auch der Galaxienhaufen mit der zweitgrößten Masse, PLCK G287.0+32.9, aus dem Planck-Katalog sah sehr viel versprechend aus: Er hatte sich schon bei Beobachtungen mit Teleskopen auf der Erde als exzellente Gravitationslinse entpuppt. Aber das Weltraumteleskop Hubble hatte dort noch nicht hingeschaut.

Ich erstellte also eine Liste von 41 massereichen Galaxienhaufen, von denen es noch keine Hubble-Aufnahmen im nahen Infrarotbereich gab, und schrieb zusammen mit einem Team von Astronomen einen Hubble-Projektantrag. Wir baten um Beobachtungszeit für 190 von Hubbles Umläufen um die Erde. Das entspricht etwa fünf Prozent der verfügbaren Beobachtungszeit für das Antragsjahr – insgesamt mehr als 100 Beobachtungsstunden.

Nachdem alle Projektvorschläge für das Jahr eingereicht waren, versammelten sich Astronomen aus der ganzen Welt in Baltimore, um darüber zu beratschlagen. Unser Team hatte Glück: Im Juni 2015 erfuhren wir, dass unser Vorschlag angenommen worden war. Es war das größte »General Observers«-Projekt im 23. wissenschaftlichen Betriebsjahr des Weltraumteleskops.

Im Rahmen von RELICS beobachteten wir alle 41 Galaxienhaufen auf unserer Liste im infraroten Kanal der Wide Field Camera 3 (WFC3/IR) von Hubble. Außerdem betrachteten wir mit Hubbles Advanced Camera for Surveys (ACS) die Objekte im roten, grünen und blauen sichtbaren Licht, sofern das nicht zuvor geschehen war. Die ACS-Aufnahmen haben eine höhere Auflösung und helfen uns damit, die Linseneigenschaften der Galaxienhaufen zu messen und daraus die Vergrößerung der auf den WFC3/IR-Bildern entdeckten, weit entfernten Galaxien abzuschätzen.

Wir beobachteten bei sieben verschiedenen Wellenlängen zwischen 0,4 und 1,7 Mikrometern und erhielten auf diese Weise grobe Spektren der Galaxienstrahlung. Indem wir auf spezifische Strukturen im Spektrum achteten, beispielsweise auf die Absorption durch neutralen Wasserstoff, konnten wir die Rotverschiebung der Strahlung und damit die Entfernung der Galaxien abschätzen.

Weitere Projektanträge brachten uns zusätzliche 946 Stunden Beobachtungszeit am Infrarot-Weltraumteleskop Spitzer ein. Da es andere Wellenlängen erfasst als Hubble, konnten wir mit ihm die Sterne in den Galaxien genauer charakterisieren und auch ihre Gesamtmasse bestimmen. Daneben überprüften wir, ob die Galaxien wirklich so weit entfernt sind, wie es anhand der Hubble-Aufnahmen scheint.

Eine einzigartige Entdeckung

Unserem Postdoc Brett Salmon gelang dann die wohl wichtigste Entdeckung: Er stieß auf SPT0615-JD. Die Galaxie stach auf den Hubble-Aufnahmen keineswegs sofort als das einzigartige Objekt hervor, das es ist. Galaxien können aus unterschiedlichen Gründen einen Rotstich haben. Einige von ihnen sind stark rotverschoben wie eben SPT0615-JD. Andere sind lediglich in dichte Staubwolken gehüllt, die ihr blaues Licht absorbieren und im infraroten Bereich wieder aussenden. Dadurch erscheinen sie röter, als sie eigentlich sind.

Wieder andere rote Galaxien befinden sich in unserer lokalen Umgebung, sind aber sehr alt. In ihnen haben sich in jüngerer Zeit nicht mehr viele neue Sterne gebildet; dadurch dominieren alte Sterne, die vor allem rot leuchten. Bei roten Galaxien auf Teleskopbildern können sogar alle diese Faktoren zusammen auftreten: Sie sind mitunter rotverschoben, staubig und zum Zeitpunkt der Aufnahme schon ziemlich alt.

Deshalb sind Spitzer-Beobachtungen im Infrarotbereich bei Wellenlängen von drei bis fünf Mikrometern so wichtig für uns: Mit ihnen lassen sich ferne, stark rotverschobene Galaxien von nahen, intrinsisch roten Galaxien unterscheiden. Tatsächlich stießen wir auf den Hubble-Aufnahmen zunächst auf drei Kandidaten – darunter SPT0615-JD –, die eine Rotverschiebung mit einem Wert von 10 zu haben schienen. Das entspricht auf den ersten Blick einer Zeit, als das Universum weniger als 500 Millionen Jahre alt war. Beobachtungen mit Spitzer zeigten uns jedoch, dass die Rotverschiebung von zwei dieser Kandidaten vermutlich lediglich 2 beträgt. Damit hätte ihr Licht »nur« etwa zehn Milliarden Jahre zu uns benötigt, was etwa drei Vierteln des jetzigen Weltalters entspricht. Lediglich SPT0615-JD überstand den Spitzer-Test und verblieb als Kandidat für einen neuen Entfernungsrekord.

Durch die Kombination von Salmons Auswertung der Hubble-Daten mit einer Analyse der Spitzer-Messungen durch Victoria Strait von der University of California in Davis konnten wir zeigen, dass die Intensität der Strahlung von SPT0615-JD bei einer Wellenlänge von etwa 1,34 Mikrometern schlagartig abfällt. Bei kleineren Wellenlängen ist die Galaxie nicht mehr zu sehen. Die fehlende Strahlung, so unsere Vermutung, hat den Wasserstoff im jungen Kosmos reionisiert.

Die Abbruchkante im Spektrum von SPT0615-JD ist für uns ausgesprochen nützlich: Sie erlaubt uns, die Entfernung der Galaxie zu bestimmen. Zwar sehen wir die Kante bei 1,34 Mikrometern. Aber wir wissen aus der Atomphysik, dass neutraler Wasserstoff eigentlich ganz anderes Licht absorbiert, nämlich extreme ultraviolette Strahlung mit Wellenlängen kleiner als 0,12 Mikrometer. Der Vergleich zwischen dieser ursprünglichen und der beobachteten Absorptionskante im Spektrum von SPT0615-JD zeigte uns daher, wie stark sich das Universum zwischen der Aussendung der Strahlung und ihrem Empfang auf der Erde ausgedehnt hat, und damit auch, wie lange die Strahlung zu uns unterwegs war.

So kommen wir auf die rekordverdächtige Rotverschiebung von 10. Damit ist SPT0615-JD eine der am weitesten entfernten Galaxien, die wir kennen. Es gibt zwar zwei Galaxien, die eine Rotverschiebung von 11 besitzen, die also etwas weiter entfernt sind und wohl bereits 400 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten. Hubble zeigt sie allerdings lediglich als infrarote Punkte, die zu klein sind, um Einzelheiten ihrer Struktur zu erkennen.

Bei SPT0615-JD ist das anders: Ihr Licht wurde durch eine Gravitationslinse verzerrt, was das Bild der Galaxie vergrößert hat (siehe Bild S. 49). Dadurch können wir einen detaillierteren Blick auf diese ferne Verwandte unserer Milchstraße werfen. Unsere Beobachtungen mögen hier nicht allzu viel an Details hergeben, aber wir wollen nun mit dem Hubble-Teleskop noch aussagekräftigere Bilder machen.

Unter anderem hoffen wir, auch die durch die Gravitationslinse erzeugten Abbilder der Galaxie aufzuspüren, wie sie Rachel Paterno-Mahler von der University of California in Irvine vorhergesagt hat. Darüber hinaus konnten wir uns bereits Beobachtungszeit am Atacama Large Millimeter Array (ALMA) im chilenischen Hochland sichern. Damit wollen wir unsere Entfernungsmessung bestätigen und zudem Sauerstoff in der Galaxie nachweisen – das wäre der bislang früheste Nachweis dieses Elements im Kosmos.

Und schließlich werden wir Beobachtungen mit dem James Webb Space Telescope (JWST) vorschlagen, dem nächsten großen Weltraumteleskop der NASA, dessen Start wegen technischer Probleme nach derzeitigem Stand allerdings frühestens 2021 ansteht. Das JWST könnte uns einen Einblick in die innere Struktur der Galaxie liefern, ihren Beitrag zur Reionisierung messen und ihre chemische Zusammensetzung bestimmen – ob sie also noch aus reinem Wasserstoffgas besteht oder bereits mit schwereren Elementen angereichert ist.

SPT0615-JD war die wichtigste Entdeckung von RELICS, aber wir haben darüber hinaus rund 300 weitere Kandidaten für sehr frühe Galaxien gefunden. Alle von ihnen müssen noch durch Nachfolgebeobachtungen überprüft werden. Im Rahmen unseres Projekts entdeckten wir außerdem die bislang hellsten bekannten Galaxien bei Rotverschiebungen mit einem Wert von 6, was einem Universumsalter von etwa einer Milliarde Jahren entspricht.

Die Lücke in unserer Geschichte

Die frühen Galaxien könnten uns letztlich dabei helfen, ein fehlendes Kapitel im Geschichtsbuch des Universums zu füllen. Wissenschaftler haben zwar eine grundlegende Theorie über die ersten Momente nach dem Urknall, als sich der Kosmos vermutlich durch ein als Inflation bezeichnetes Phänomen für einen kurzen Moment mit gewaltiger Geschwindigkeit aufblähte. Und etwa 380000 Jahre nach der Entstehung von Raum und Zeit hatte sich das Universum ausreichend abgekühlt, um die Bildung der ersten Atome zu ermöglichen, wodurch der Kosmos erstmals für Licht durchsichtig wurde. Das Nachglühen dieser Epoche ist bis heute in der kosmischen Hintergrundstrahlung verewigt.

Auf diesen Schnappschuss folgt dann jedoch eine 400 Millionen Jahre große Lücke in unserem Wissen. Bislang haben wir kein einziges Objekt in dieser Epoche aufspüren können. Drei Prozent der kosmischen Saga liegen damit völlig im Dunkeln. Wir wissen allerdings, dass diese Epoche ereignisreich gewesen sein muss. Die ersten Sterne entstanden wohl 100 Millionen Jahre nach dem Urknall. Anschließend begannen sie wahrscheinlich damit, immer größere Ansammlungen zu bilden, aus denen schließlich die ersten Galaxien hervorgingen. Das Licht dieser Galaxien reionisierte dann den Wasserstoff im Universum.

Anhand der ersten Galaxien können wir vielleicht etwas über diese Prozesse lernen. Mit RELICS und ähnlichen vorangegangenen Projekten– wie etwa CLASH, CANDELS und Frontier Fields – haben wir zweifellos Fortschritte gemacht. Wenn erst das JWST im All ist, hoffen wir auf einen noch größeren Sprung. Es wird dann das leistungsstärkste Instrument der Menschheit zur Untersuchung der frühesten Epochen des Kosmos sein. Es wird leuchtschwächere, weiter entfernte Galaxien bei größeren Wellenlängen und mit höherer Auflösung beobachten als alle bisherigen Teleskope. Und wir sollten mit dem JWST in der Lage sein, die Massen und die chemische Zusammensetzung der Galaxien sowie ihren Beitrag zu Reionisierung zu bestimmen.

Gravitationslinsen haben uns bereits mit den gegenwärtigen Teleskopen geholfen, weit entfernte Galaxien aufzuspüren. Dieser Vorteil wird bei den Beobachtungen mit dem JWST bei höheren Rotverschiebungen sogar noch größer. Je weiter wir in der Zeit zurückblicken, desto stärker dominieren kleinere Systeme die Verteilung der Galaxien. Wenn sich dieser Trend bis in die ersten 400 Millionen Jahre fortsetzt, vergrößert sich der Vorteil von Gravitationslinsen noch einmal ganz erheblich. Auf Basis derzeitiger Schätzungen wage ich vorauszusagen, dass Gravitationslinsen das entscheidende Element für die Entdeckung der allerersten Galaxien mit dem JWST sein werden.

Mit Sicherheit wird das JWST Galaxien zu einer Zeit von 300 Millionen Jahren nach dem Urknall sehen. Womöglich werden Gravitationslinsen es uns dann sogar ermöglichen, junge Galaxien 200 Millionen Jahre nach dem Urknall aufzuspüren. Das halbiert die Lücke in der kosmischen Geschichte, zumindest sofern Galaxien tatsächlich so früh entstanden sind.

Nach dem Start des Teleskops müssen wir uns mit diesem Vorhaben beeilen. Wir haben lediglich fünf bis zehn Jahre Zeit, um mit dem Instrument zu arbeiten. Während das Hubble-Teleskop 28 Jahre nach seinem Start – trotz kleiner Altersschwächen – immer noch gute Arbeit leistet, hat das JWST bloß Treibstoff für ein Jahrzehnt an Bord. Danach können wir es nicht mehr auf seiner Umlaufbahn am Lagrange-Punkt L2 halten, der 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt liegt und damit fast viermal so weit entfernt ist wie der Mond. Damit ist das Teleskop praktisch unerreichbar für Astronauten – Reparaturmissionen oder der Austausch von Instrumenten wie bei Hubble sind kaum denkbar.

James Webb wird noch weiter zurückblicken

In einer Hinsicht sind die bisherigen Ergebnisse besonders spannend für uns: Die Milchstraße ist vermutlich etwa zur gleichen Zeit entstanden wie SPT0615-JD. Doch wir sehen unsere Galaxie nur so, wie sie heute ist, und wir haben keine Möglichkeit zu erfahren, wie sie im jungen Kosmos ausgesehen hat. Im Gegensatz dazu sehen wir SPT0615-JD in ihrer Jugend, weil das Licht dieser Galaxie so lange zu uns brauchte. Unsere Milchstraße und SPT0615-JD könnten letztlich eine ganz ähnliche Geschichte haben. Beide sind im Verlauf von 13 Milliarden Jahren immer weiter angewachsen. Und auch in SPT0615-JD sind wahrscheinlich rund um Sterne Planeten entstanden – auf einigen dieser Planeten vielleicht sogar Leben.

Falls eine dieser Lebensformen Intelligenz entwickelt hat, schaut sie womöglich gerade mit Teleskopen durch denselben Galaxienhaufen hindurch und sieht einen schwach leuchtenden roten Fleck – ein vergrößertes Bild der Milchstraße kurz nach ihrer Geburt. Das ist wohl einer der Hauptgründe, warum wir immer weiter in die Tiefen des Kosmos und zurück in die Zeit blicken: um unsere Ursprünge zu erforschen und unsere Rolle im Kosmos zu ergründen.

QUELLEN

Oesch, P. A. et al.: A remarkably luminous galaxy at z = 11.1 measured with Hubble space telescope grism spectroscopy. The Astrophysical Journal 819, 2016

Salmon, B. et al.: RELICS: a candidate z ~ 10 galaxy strongly lensed into a spatially resolved arc. The Astrophysical Journal Letters 864, 2018

Gravitationslinsen

Bei ihrer Suche nach extrem weit entfernten Galaxien im jungen Kosmos machen sich die Astronomen das Phänomen der Gravitationslinsen zu Nutze. Dabei handelt es sich um massereiche Objekte wie etwa Galaxienhaufen, welche die Raumzeit in ihrer Umgebung verbiegen. Strahlung, die diese Regionen durchquert, muss daher einem gebogenen Pfad folgen. Dadurch kann eine hinter einer Gravitationslinse liegende, weiter entfernte Galaxie von der Erde aus gesehen vergrößert, an einer anderen Stelle oder sogar mehrfach erscheinen.

Zwei unterschiedliche Strategien

Für ihre Suche nach weit entfernten Galaxien können Astronomen zwei verschiedene Verfahren anwenden. Beim ersten machen sich die Wissenschaftler Langzeitaufnahmen von vermeintlich leeren Himmelsregionen zu Nutze. Beim zweiten beobachten sie gerade solche Regionen, in denen sich Galaxienhaufen befinden, und nutzen diese als Gravitationslinse, die Licht dahinterliegender Quellen bündelt. Wegen der Vergrößerung betrachtet man so zwar einen kleineren und seltsam geformten Himmelsausschnitt, kann aber Galaxien aufspüren, die sonst zu leuchtschwach wären.

Kosmische Zeitleiste

Das Projekt RELICS nutzte die Weltraumteleskope Hubble und Spitzer, um nach Galaxien in der Zeit zwischen 400 und 600 Millionen Jahren nach dem Urknall zu suchen. Astronomen bezeichnen diese Ära als Epoche der Reionisierung, weil die ersten Sterne mit ihrer Strahlung die neutralen Wasserstoffatome im Weltall wieder ionisierten. Da sich elektromagnetische Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, ist der Blick in große Entfernungen zugleich ein Blick in die ferne Vergangenheit.

Eine herausragende Entdeckung von RELICS war die Galaxie SPT0615-JD, deren Licht 13,3 Milliarden Jahre zur Erde benötigte – wir sehen sie also so, wie sie damals aussah.


Die Rotverschiebung

Während das Weltall expandiert, dehnt sich auch die Strahlung aus, die sich durch den Kosmos bewegt. Dadurch verschieben sich die Wellenlängen vom blauen zum roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Je weiter ein Objekt von der Erde entfernt ist, desto länger nimmt seine Strahlung an der Expansion teil und desto größer ist daher seine Rotverschiebung.


RON MILLER

RON MILLER

NIGEL HAWTIN / SCIENTIFIC AMERICAN NOVEMBER 2018; BEARBEITUNG: SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

NIGEL HAWTIN / SCIENTIFIC AMERICAN NOVEMBER 2018; BEARBEITUNG: SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

NIGEL HAWTIN / SCIENTIFIC AMERICAN NOVEMBER 2018; BEARBEITUNG: SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT