Das Standardmodell der Kosmologie überlebt die überraschenden Funde eines Teleskops

Es sollte eine Weile dauern, bis die Risse in der Kosmologie sichtbar werden. Aber als das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) im vergangenen Frühjahr seine Linse öffnete, leuchteten sofort extrem entfernte, aber sehr helle Galaxien in das Sichtfeld des Teleskops. "Sie waren einfach so dumm hell und sie standen einfach auf", sagte Rohan Naidu, ein Astronom am Massachusetts Institute of Technology.

Die scheinbaren Entfernungen der Galaxien von der Erde deuteten darauf hin, dass sie sich viel früher in der Geschichte des Universums gebildet haben, als irgendjemand erwartet hatte. (Je weiter entfernt etwas ist, desto länger ist es her, dass sein Licht aufflammte.) Zweifel kamen auf, aber im Dezember bestätigten Astronomen, dass einige der Galaxien tatsächlich so weit entfernt und daher so ursprünglich sind, wie es scheint. Die früheste dieser bestätigten Galaxien erstrahlte 330 Millionen Jahre nach dem Urknall und ist damit der neue Rekordhalter für die früheste bekannte Struktur im Universum. Diese Galaxie war ziemlich schwach, aber andere Kandidaten, die lose an denselben Zeitraum gebunden waren, leuchteten bereits hell, was bedeutet, dass sie möglicherweise riesig waren.

Wie konnten sich Sterne so kurz nach dem Urknall in überhitzten Gaswolken entzünden? Wie konnten sie sich hastig in solch riesige gravitativ gebundene Strukturen einweben? Das Auffinden solch großer, heller, früher Galaxien ähnelt dem Auffinden eines versteinerten Kaninchens in präkambrischen Schichten. „In der Anfangszeit gibt es keine großen Dinge. Es dauert eine Weile, bis man zu großen Dingen kommt“, sagte er Mike Boylan-Kolchin, ein theoretischer Physiker an der University of Texas, Austin.

Astronomen begannen zu fragen, ob die Fülle früher großer Dinge dem gegenwärtigen Verständnis des Kosmos widerspricht. Einige Forscher und Medien behaupteten, dass die Beobachtungen des Teleskops das Standardmodell der Kosmologie – ein gut erprobtes Gleichungssystem namens Lambda Cold Dark Matter oder ΛCDM-Modell – durchbrachen und auf aufregende Weise auf neue kosmische Bestandteile oder geltende Gesetze hinwiesen. Inzwischen hat sich jedoch gezeigt, dass das ΛCDM-Modell belastbar ist. Anstatt die Forscher zu zwingen, die Regeln der Kosmologie neu zu schreiben, veranlassen die JWST-Ergebnisse die Astronomen dazu, die Entstehung von Galaxien zu überdenken, insbesondere in den Anfängen des Kosmos. Das Teleskop hat die Kosmologie noch nicht gebrochen, aber das heißt nicht, dass der Fall der zu frühen Galaxien alles andere als epochal werden wird.

Einfachere Zeiten

Um zu verstehen, warum die Entdeckung sehr früher, heller Galaxien überraschend ist, hilft es zu verstehen, was Kosmologen über das Universum wissen – oder zu wissen glauben.

Nach dem Urknall begann sich das junge Universum abzukühlen. Innerhalb weniger Millionen Jahre beruhigte sich das brodelnde Plasma, das den Weltraum erfüllte, und Elektronen, Protonen und Neutronen vereinigten sich zu Atomen, meist neutralem Wasserstoff. Die Dinge waren ruhig und dunkel für einen Zeitraum von ungewisser Dauer, der als kosmisches dunkles Zeitalter bekannt ist. Dann passierte etwas.

Das meiste Material, das nach dem Urknall auseinanderflog, besteht aus etwas, das wir nicht sehen können, der sogenannten Dunklen Materie. Es hat besonders am Anfang einen mächtigen Einfluss auf den Kosmos ausgeübt. Im Standardbild wurde kalte dunkle Materie (ein Begriff, der unsichtbare, sich langsam bewegende Teilchen bedeutet) wahllos durch den Kosmos geschleudert. In einigen Gebieten war seine Verteilung dichter, und in diesen Regionen begann er zu Klumpen zusammenzubrechen. Sichtbare Materie, also Atome, sammelte sich um die Klumpen dunkler Materie. Als auch die Atome abkühlten, kondensierten sie schließlich und die ersten Sterne wurden geboren. Diese neuen Strahlungsquellen luden den neutralen Wasserstoff, der das Universum während der sogenannten Reionisierungsepoche erfüllte, wieder auf. Durch die Schwerkraft wuchsen größere und komplexere Strukturen und bildeten ein riesiges kosmisches Netz aus Galaxien.

Währenddessen flog alles auseinander. Der Astronom Edwin Hubble fand in den 1920er Jahren heraus, dass sich das Universum ausdehnt, und in den späten 1990er Jahren fand sein Namensvetter, das Hubble-Weltraumteleskop, Beweise dafür, dass sich die Expansion beschleunigt. Stellen Sie sich das Universum als einen Laib Rosinenbrot vor. Es beginnt mit einer Mischung aus Mehl, Wasser, Hefe und Rosinen. Wenn Sie diese Zutaten kombinieren, beginnt die Hefe zu atmen und der Laib beginnt aufzugehen. Die Rosinen darin – Stellvertreter für Galaxien – dehnen sich weiter auseinander, wenn sich der Laib ausdehnt.

Das Hubble-Teleskop sah, dass der Laib immer schneller aufgeht. Die Rosinen fliegen mit einer Geschwindigkeit auseinander, die ihrer Anziehungskraft trotzt. Diese Beschleunigung scheint von der abstoßenden Energie des Weltraums selbst angetrieben zu werden – der sogenannten dunklen Energie, die durch den griechischen Buchstaben Λ (ausgesprochen „Lambda“) dargestellt wird. Setzen Sie Werte für Λ, kalte dunkle Materie und reguläre Materie und Strahlung in die Gleichungen von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ein, und Sie erhalten ein Modell, wie sich das Universum entwickelt. Dieses „Lambda Cold Dark Matter“ (ΛCDM)-Modell stimmt mit fast allen Beobachtungen des Kosmos überein.

Eine Möglichkeit, dieses Bild zu testen, besteht darin, sehr weit entfernte Galaxien zu betrachten – das entspricht einem zeitlichen Rückblick auf die ersten paar hundert Millionen Jahre nach dem gewaltigen Knall, mit dem alles begann. Der Kosmos war damals einfacher, seine Entwicklung leichter mit Vorhersagen zu vergleichen.

Astronomen versuchten erstmals 1995, die frühesten Strukturen des Universums mit dem Hubble-Teleskop zu sehen. Über 10 Tage hinweg machte Hubble 342 Aufnahmen eines leer aussehenden Flecks im Weltraum im Großen Wagen. Astronomen waren erstaunt über die Fülle, die sich in der tintenschwarzen Dunkelheit verbarg: Hubble konnte Tausende von Galaxien in unterschiedlichen Entfernungen und Entwicklungsstadien sehen, die in viel frühere Zeiten zurückreichten, als irgendjemand erwartet hatte. Hubble würde weiterhin einige äußerst weit entfernte Galaxien finden – im Jahr 2016, Astronomen fand seinen entferntesten, genannt GN-z11, ein schwacher Fleck, den sie auf 400 Millionen Jahre nach dem Urknall datierten.

Das war überraschend früh für eine Galaxie, aber es ließ das ΛCDM-Modell nicht in Zweifel ziehen, zum Teil, weil die Galaxie mit nur 1 % der Masse der Milchstraße winzig ist, und zum Teil, weil sie allein stand. Astronomen brauchten ein leistungsstärkeres Teleskop, um zu sehen, ob GN-z11 ein Sonderling oder Teil einer größeren Population rätselhaft früher Galaxien war, was helfen könnte festzustellen, ob uns ein entscheidender Teil des ΛCDM-Rezepts fehlt.

Unerklärlich weit entfernt

Dieses Weltraumteleskop der nächsten Generation, benannt nach dem ehemaligen NASA-Führer James Webb, am Weihnachtstag 2021 gestartet. Sobald JWST kalibriert war, tropfte Licht von frühen Galaxien in seine empfindliche Elektronik. Astronomen haben eine Flut von Artikeln veröffentlicht, in denen sie beschreiben, was sie gesehen haben.

Forscher verwenden eine Version des Doppler-Effekts, um die Entfernungen von Objekten zu messen. Dies ähnelt der Bestimmung des Standorts eines Krankenwagens anhand seiner Sirene: Die Sirene ertönt höher, wenn sie sich nähert, und dann leiser, wenn sie sich entfernt. Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller bewegt sie sich von uns weg, und so dehnt sich ihr Licht zu längeren Wellenlängen aus und erscheint röter. Die Größe dieser „Rotverschiebung“ wird ausgedrückt als z, wobei ein gegebener Wert für z sagt Ihnen, wie lange das Licht eines Objekts gereist sein muss, um uns zu erreichen.

Eine der ersten Veröffentlichungen on JWST-Daten stammten von Naidu, dem MIT-Astronomen, und seinen Kollegen, deren Suchalgorithmus eine Galaxie markierte, die unerklärlich hell und unerklärlich weit entfernt schien. Naidu nannte es GLASS-z13, was seine scheinbare Entfernung mit einer Rotverschiebung von 13 angibt – weiter entfernt als alles, was zuvor gesehen wurde. (Die Rotverschiebung der Galaxie wurde später auf 12.4 herunterkorrigiert und in GLASS-z12 umbenannt.) Andere Astronomen, die an den verschiedenen Sätzen von JWST-Beobachtungen arbeiteten, meldeten Rotverschiebungswerte von 11 bis einschließlich 20 eine Galaxie namens CEERS-1749 oder CR2-z17-1, dessen Licht es anscheinend vor 13.7 Milliarden Jahren verlassen hat, nur 220 Millionen Jahre nach dem Urknall – kaum einen Wimpernschlag nach Beginn der kosmischen Zeit.

Diese mutmaßlichen Entdeckungen deuteten darauf hin, dass die nette Geschichte, die als ΛCDM bekannt ist, möglicherweise unvollständig ist. Irgendwie wurden Galaxien sofort riesig. „Im frühen Universum erwartet man keine massereichen Galaxien. Sie hatten nicht die Zeit, so viele Sterne zu bilden, und sie sind nicht miteinander verschmolzen“, sagte Chris Lovell, ein Astrophysiker an der Universität von Portsmouth in England. Tatsächlich im eine Studie November veröffentlichten Forscher analysierten Computersimulationen von Universen, die vom ΛCDM-Modell beherrscht werden, und stellten fest, dass die frühen, hellen Galaxien von JWST um eine Größenordnung schwerer waren als diejenigen, die gleichzeitig in den Simulationen entstanden.

Einige Astronomen und Medien behaupteten, dass JWST die Kosmologie durchbrechen würde, aber nicht alle waren davon überzeugt. Ein Problem ist, dass die Vorhersagen von ΛCDM nicht immer eindeutig sind. Während dunkle Materie und dunkle Energie einfach sind, hat sichtbare Materie komplexe Wechselwirkungen und Verhaltensweisen, und niemand weiß genau, was in den ersten Jahren nach dem Urknall passiert ist; diese frenetischen frühen Zeiten müssen in Computersimulationen angenähert werden. Das andere Problem ist, dass es schwierig ist, genau zu sagen, wie weit entfernt Galaxien sind.

In den Monaten seit den ersten Veröffentlichungen wurde das Alter einiger der angeblich hochrotverschobenen Galaxien neu überdacht. Irgendwo herabgestuft zu späteren Stadien der kosmischen Evolution aufgrund aktualisierter Teleskopkalibrierungen. CEERS-1749 befindet sich in einer Region des Himmels, die einen Galaxienhaufen enthält, dessen Licht vor 12.4 Milliarden Jahren emittiert wurde, und Naidu sagt, es sei möglich, dass die Galaxie tatsächlich Teil dieses Haufens ist – ein näherer Eindringling, der mit Staub gefüllt sein könnte, der entsteht es erscheint rotverschobener als es ist. Laut Naidu ist CEERS-1749 seltsam, egal wie weit es entfernt ist. „Es wäre eine neue Art von Galaxie, die wir nicht kannten: eine winzige Galaxie mit sehr geringer Masse, die irgendwie viel Staub angesammelt hat, was wir traditionell nicht erwarten“, sagte er. „Es könnte einfach diese neuen Arten von Objekten geben, die unsere Suche nach den sehr weit entfernten Galaxien verwirren.“

Die Lyman-Pause

Jeder wusste, dass die definitivsten Entfernungsschätzungen die leistungsfähigste Fähigkeit von JWST erfordern würden.

JWST beobachtet Sternenlicht nicht nur durch Photometrie oder Messung der Helligkeit, sondern auch durch Spektroskopie oder Messung der Wellenlängen des Lichts. Wenn eine photometrische Beobachtung wie ein Bild eines Gesichts in einer Menschenmenge ist, dann ist eine spektroskopische Beobachtung wie ein DNA-Test, der die Familiengeschichte einer Person aufzeigen kann. Naidu und andere, die große frühe Galaxien fanden, maßen die Rotverschiebung mit von der Helligkeit abgeleiteten Messungen – im Wesentlichen betrachteten sie Gesichter in der Menge mit einer wirklich guten Kamera. Diese Methode ist alles andere als luftdicht. (Bei einem Treffen der American Astronomical Society im Januar witzelten Astronomen, dass vielleicht die Hälfte der frühen Galaxien, die allein mit Photometrie beobachtet werden, sich als genau vermessen erweisen werden.)

Aber Anfang Dezember Kosmologen angekündigt dass sie beide Methoden für vier Galaxien kombiniert hatten. Das Team des JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) suchte nach Galaxien, deren infrarotes Lichtspektrum bei einer kritischen Wellenlänge, die als Lyman-Bruch bekannt ist, abrupt abgeschnitten wird. Dieser Bruch tritt auf, weil Wasserstoff, der im Raum zwischen Galaxien schwebt, Licht absorbiert. Aufgrund der fortschreitenden Expansion des Universums – dem immer höher werdenden Rosinenbrot – verschiebt sich das Licht entfernter Galaxien, also verschiebt sich auch die Wellenlänge dieses abrupten Bruchs. Wenn das Licht einer Galaxie bei längeren Wellenlängen abzufallen scheint, ist es weiter entfernt. JADES identifizierte Spektren mit Rotverschiebungen bis zu 13.2, was bedeutet, dass das Licht der Galaxie vor 13.4 Milliarden Jahren emittiert wurde.

Sobald die Daten downgelinkt waren, begannen die JADES-Forscher in einer gemeinsamen Slack-Gruppe „auszuflippen“, heißt es Kevin Hainlin, ein Astronom an der University of Arizona. „Es war wie ‚Oh mein Gott, oh mein Gott, wir haben es geschafft, wir haben es geschafft, wir haben es geschafft!'“, sagte er. „Diese Spektren sind nur der Anfang dessen, was meiner Meinung nach die Wissenschaft der Astronomie verändern wird.“

Brant Robertson, ein JADES-Astronom an der University of California, Santa Cruz, sagt, die Ergebnisse zeigen, dass sich das frühe Universum in seinen ersten Milliarden Jahren schnell verändert hat, wobei sich Galaxien zehnmal schneller entwickelt haben als heute. Es ist ähnlich wie „ein Kolibri ein kleines Geschöpf ist“, sagte er, „aber sein Herz schlägt so schnell, dass es irgendwie anders lebt als andere Geschöpfe. Der Herzschlag dieser Galaxien erfolgt auf einer viel schnelleren Zeitskala als etwas von der Größe der Milchstraße.“

Aber schlugen ihre Herzen zu schnell, als dass ΛCDM es erklären könnte?

Theoretische Möglichkeiten

Als Astronomen und die Öffentlichkeit JWST-Bilder bestaunten, begannen Forscher hinter den Kulissen zu arbeiten, um festzustellen, ob die Galaxien, die in unser Blickfeld blinzeln, ΛCDM wirklich auf den Kopf stellen oder nur dabei helfen, die Zahlen festzunageln, die wir in seine Gleichungen einsetzen sollten.

Eine wichtige, aber kaum verstandene Zahl betrifft die Massen der frühesten Galaxien. Kosmologen versuchen, ihre Massen zu bestimmen, um festzustellen, ob sie mit der von ΛCDM vorhergesagten Zeitachse des Galaxienwachstums übereinstimmen.

Die Masse einer Galaxie ergibt sich aus ihrer Helligkeit. Aber Megan Donahue, ein Astrophysiker an der Michigan State University, sagt, dass die Beziehung zwischen Masse und Helligkeit bestenfalls eine fundierte Vermutung ist, die auf Annahmen basiert, die von bekannten Sternen und gut untersuchten Galaxien stammen.

Eine Schlüsselannahme ist, dass sich Sterne immer innerhalb eines bestimmten statistischen Massenbereichs bilden, der als Anfangsmassenfunktion (IMF) bezeichnet wird. Dieser IMF-Parameter ist entscheidend, um die Masse einer Galaxie aus Messungen ihrer Helligkeit abzuleiten, da heiße, blaue, schwere Sterne mehr Licht erzeugen, während der Großteil der Masse einer Galaxie typischerweise in kühlen, roten, kleinen Sternen eingeschlossen ist.

Aber es ist möglich, dass der IWF im frühen Universum anders war. Wenn ja, sind die frühen Galaxien von JWST möglicherweise nicht so schwer, wie ihre Helligkeit vermuten lässt; sie mögen hell, aber leicht sein. Diese Möglichkeit verursacht Kopfschmerzen, da die Änderung dieser grundlegenden Eingabe in das ΛCDM-Modell Ihnen fast jede gewünschte Antwort geben könnte. Lovell sagt, einige Astronomen betrachten es als „die Domäne der Bösen“, mit dem IWF herumzuspielen.

„Wenn wir die anfängliche Massenfunktion nicht verstehen, dann ist es wirklich eine Herausforderung, Galaxien bei hoher Rotverschiebung zu verstehen“, sagte er Wendy Freemann, ein Astrophysiker an der University of Chicago. Ihr Team arbeitet an Beobachtungen und Computersimulationen, die helfen werden, den IWF in verschiedenen Umgebungen festzunageln.

Im Laufe des Herbstes kamen viele Experten zu dem Verdacht, dass Optimierungen am IWF und anderen Faktoren ausreichen könnten, um die sehr alten Galaxien, die auf JWST-Instrumenten aufleuchten, mit ΛCDM in Einklang zu bringen. "Ich denke, es ist tatsächlich wahrscheinlicher, dass wir diese Beobachtungen innerhalb des Standardparadigmas unterbringen können", sagte er Rachel Somerville, ein Astrophysiker am Flatiron Institute (das, wie Quanta Magazine, wird von der Simons Foundation finanziert). In diesem Fall sagte sie: „Was wir lernen, ist: Wie schnell können [dunkle Materie] Halos das Gas sammeln? Wie schnell können wir das Gas abkühlen und verdichten und Sterne erzeugen? Vielleicht passiert das im frühen Universum schneller; vielleicht ist das Gas dichter; vielleicht fließt es irgendwie schneller ein. Ich denke, wir lernen immer noch etwas über diese Prozesse.“

Somerville untersucht auch die Möglichkeit, dass Schwarze Löcher den Babykosmos störten. Astronomen haben bemerkt ein paar leuchtende supermassereiche Schwarze Löcher bei einer Rotverschiebung von 6 oder 7, etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall. Es ist schwer vorstellbar, wie sich zu dieser Zeit Sterne gebildet haben, starben und dann in schwarze Löcher kollabierten, die alles um sie herum auffraßen und anfingen, Strahlung zu speien.

Aber wenn es schwarze Löcher in den vermeintlichen frühen Galaxien gibt, könnte das erklären, warum die Galaxien so hell erscheinen, auch wenn sie eigentlich nicht sehr massereich sind, sagte Somerville.

Die Bestätigung, dass ΛCDM zumindest einige der frühen Galaxien des JWST aufnehmen kann, traf am Tag vor Weihnachten ein. Astronomen geführt von Benjamin Keller an der Universität von Memphis geprüft eine Handvoll großer Supercomputer-Simulationen von ΛCDM-Universen und fanden heraus, dass die Simulationen Galaxien erzeugen könnten, die so schwer sind wie die vier, die vom JADES-Team spektroskopisch untersucht wurden. (Diese vier sind insbesondere kleiner und dunkler als andere angebliche frühe Galaxien wie GLASS-z12.) In der Analyse des Teams ergaben alle Simulationen Galaxien von der Größe der JADES-Ergebnisse bei einer Rotverschiebung von 10. Eine Simulation könnte solche Galaxien erzeugen bei einer Rotverschiebung von 13, das gleiche wie das, was JADES sah, und zwei andere konnten die Galaxien bei einer noch höheren Rotverschiebung aufbauen. Keine der JADES-Galaxien stehe in Spannung mit dem aktuellen ΛCDM-Paradigma, berichteten Keller und Kollegen am 24. Dezember auf dem Preprint-Server arxiv.org.

Obwohl ihnen das Gewicht fehlt, um das vorherrschende kosmologische Modell zu durchbrechen, haben die JADES-Galaxien andere besondere Eigenschaften. Hainline sagte, dass ihre Sterne nicht durch Metalle von zuvor explodierten Sternen verunreinigt zu sein scheinen. Dies könnte bedeuten, dass sie Sterne der Population III sind – die heiß begehrte erste Generation von Sternen, die sich jemals entzünden – und dass sie möglicherweise zur Reionisierung des Universums beitragen. Wenn dies wahr ist, dann hat JWST bereits auf die mysteriöse Zeit zurückgeblickt, als das Universum auf seinen gegenwärtigen Kurs gebracht wurde.

Außergewöhnlicher Beweis

 Die spektroskopische Bestätigung weiterer früher Galaxien könnte in diesem Frühjahr erfolgen, je nachdem, wie das Zeitverteilungskomitee des JWST die Dinge aufteilt. Eine Beobachtungskampagne namens WDEEP wird gezielt nach Galaxien suchen, die weniger als 300 Millionen Jahre nach dem Urknall zurückliegen. Wenn Forscher die Entfernungen von mehr Galaxien bestätigen und ihre Masse besser abschätzen können, werden sie dabei helfen, das Schicksal von ΛCDM zu regeln.

Viele andere Beobachtungen sind bereits im Gange, die das Bild für ΛCDM ändern könnten. Freedman, die die anfängliche Massenfunktion untersucht, stand eines Nachts um 1 Uhr morgens auf und lud JWST-Daten zu variablen Sternen herunter, die sie als „Standardkerzen“ zum Messen von Entfernungen und Altern verwendet. Diese Messungen könnten helfen, ein weiteres potenzielles Problem mit ΛCDM, bekannt als die Hubble-Spannung, zu beseitigen. Das Problem ist, dass sich das Universum derzeit anscheinend schneller ausdehnt, als ΛCDM für ein 13.8 Milliarden Jahre altes Universum vorhersagt. Kosmologen haben viele mögliche Erklärungen. Vielleicht, spekulieren einige Kosmologen, ist die Dichte der dunklen Energie, die die Expansion des Universums beschleunigt, nicht konstant wie bei ΛCDM, sondern ändert sich mit der Zeit. Eine Änderung der Expansionsgeschichte des Universums könnte nicht nur die Hubble-Spannung lösen, sondern auch die Berechnungen des Alters des Universums bei einer bestimmten Rotverschiebung revidieren. JWST könnte eine frühe Galaxie sehen, wie sie, sagen wir, 500 Millionen Jahre nach dem Urknall statt 300 Millionen Jahre aussah. Dann hätten selbst die schwersten vermeintlichen frühen Galaxien in den Spiegeln des JWST genügend Zeit gehabt, sich zu verschmelzen, sagt Somerville.

Astronomen gehen die Superlative aus, wenn sie über die frühen Galaxieergebnisse von JWST sprechen. Sie peppen ihre Gespräche mit Gelächter, Kraftausdrücken und Ausrufen auf, auch wenn sie sich an Carl Sagans Sprichwort erinnern, auch wenn es überstrapaziert ist, dass außergewöhnliche Behauptungen außergewöhnliche Beweise erfordern. Sie können es kaum erwarten, weitere Bilder und Spektren in die Hände zu bekommen, die ihnen helfen werden, ihre Modelle zu verfeinern oder zu optimieren. „Das sind die besten Probleme“, sagte Boylan-Kolchin, „denn egal, was man bekommt, die Antwort ist interessant.“