Webb-Teleskop entdeckt Galaxie so ursprünglich, dass die Milchstraße wie ein Einkaufszentrum wirkt

Jahrzehntelang haben Astronomen durch Hubble gespäht, um einen Blick auf die ersten Sterne des Universums zu erhaschen, die zum Leben erwachten. Die kleinen Galaxien, die den Kosmos aufbauten, waren jedoch zu schwach, um selbst von den ausgeklügeltsten Instrumenten entdeckt zu werden. Jetzt haben Astronomen endlich zwei Dinge auf ihrer Seite: das Webb-Weltraumteleskop und ein bisschen kosmisches Glück.

In einem kürzlich in Nature veröffentlichten Artikel nutzte ein Team unter der Leitung von Kimihiko Nakajima von der Kanazawa-Universität in Japan das James-Webb-Weltraumteleskop, um eine extrem schwache Galaxie namens LAP1-B zu beobachten, wie sie etwa 800 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte. Es ist die chemisch ursprünglichste Galaxie, die wir je gesehen haben – und das will etwas heißen, angesichts der vielen ursprünglichen Dinge, die wir bereits entdeckt haben.

LAP1-B ist 13 Milliarden Lichtjahre entfernt. Selbst JWSTs riesige, goldbeschichtete Berylliumspiegel reichten allein nicht aus. Das Team entdeckte sie dank eines massiven Galaxienhaufens namens MACS J046, der die Raumzeit zwischen uns und LAP1-B wie ein kosmischer Spiegelkabinett verzerrt. „Die Galaxie wurde durch den Gravitationslinseneffekt stark vergrößert“, sagte Nakajima. Konkret verstärkte die verzerrte Raumzeit die Helligkeit von LAP1-B um etwa das 100-fache.

Selbst mit dieser Verstärkung ist LAP1-B so schwach, dass weder JWST noch Hubble ihr Sternkontinuum erkennen konnten – das stetige Hintergrundlicht ihrer Sterne. Für Nakajima und seine Kollegen war das an sich schon ein Hinweis. Aus der Kenntnis der Entfernung und der Teleskopempfindlichkeit berechneten sie die harte Obergrenze der Sternmasse von LAP1-B: 3.300 Sonnenmassen. Das ist ein Rundungsfehler im Vergleich zu den etwa 100 Milliarden Sonnenmassen der Milchstraße.

Das meiste Licht, das auf JWSTs Spiegel traf, stammte nicht von Sternen, sondern von leuchtendem Gas. Bei der Untersuchung dieses Gases erkannte das Team, dass LAP1-B das nächste ist, was wir je an die ersten ursprünglichen Galaxien herangekommen sind. Das Leuchten entsteht durch hochenergetische Strahlung massereicher Sterne, die auf umliegende interstellare Gaswolken trifft und sie zum Fluoreszieren bringt. Mit JWSTs Nahinfrarot-Spektrographen zerlegten die Forscher das Licht in ein Spektrum und suchten nach Emissionslinien, die die chemische Zusammensetzung verraten.

„Wir wollten messen, wie viel Sauerstoff vorhanden war“, sagte Nakajima. Die Analyse ergab einen enormen Mangel an Elementen, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. Das Verhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff in der Gasphase betrug nur 0,4 Prozent dessen, was wir in unserer Sonne finden. Ein weiteres Detail: dreifach ionisierter Kohlenstoff – ein Zustand, in dem ein Kohlenstoffatom die Hälfte seiner sechs Elektronen verloren hat. Um diese Elektronen zu entfernen, sind extreme ultraviolette Photonen mit Energien über 47,9 Elektronenvolt erforderlich. Normale Sterne, selbst massereiche in unserer Nähe, sind nicht heiß genug. Die Sterne, die so heiß werden könnten, so das Team, waren die allerersten, die im Universum gezündet wurden – ausschließlich aus Wasserstoff und Helium vom Urknall, ohne schwere Elemente, die sie bei ihrer Entstehung abkühlen könnten. „Solche Sterne sollten aus primordialem Gas entstanden sein“, sagte Nakajima.

Die heutigen Sterne, einschließlich unserer Sonne, sind Population I. Ältere im galaktischen Halo sind Population II mit weitaus geringeren Anteilen schwerer Elemente. Population-III-Sterne waren die ersten – theoretisiert als gewalttätige Monster mit Massen von Hunderten Sonnen, zusammengepresst auf kleine Volumina, extrem heiß brennend und jung in Supernovae sterbend. Nakajimas Team fand wahrscheinlich Spuren dieser Explosionen in LAP1-B.

Obwohl LAP1-B unglaublich arm an schweren Elementen ist, hat es ein ungewöhnlich hohes Kohlenstoff-zu-Sauerstoff-Verhältnis – höher als das unserer Sonne. Die Forscher glauben, dass die Antwort darin liegt, wie diese massereichen Sterne der ersten Generation starben. Wenn ein Population-III-Stern kollabiert, wird sein Kern zu einem Schwarzen Loch, aber die Supernova ist nicht energiereich genug, um den Stern auseinanderzureißen. „Ihre gravitative Bindungsenergie ist stärker als bei den üblichen massereichen Sternen“, sagte Nakajima. Der Kollaps führt zu einer schwachen Supernova mit erheblichem Rückfall: schwerere Elemente wie Sauerstoff werden jenseits des Ereignishorizonts eingesogen, während leichtere äußere Schichten, reich an Kohlenstoff, entkommen. Die chemische Zusammensetzung von LAP1-B sieht aus wie ein Fingerabdruck von Gas aus Population-III-Supernovae.

Noch ein Hinweis: die Geschwindigkeit des Gases. Durch Messung der Dopplerverbreiterung von