Neueste Messungen des Weltraumteleskops James Webb zeigen, dass Galaxien bereits 500 Millionen Jahre nach dem Urknall schwere Elemente wie Sauerstoff in den intergalaktischen Raum verteilten. Die Beobachtungen von drei jungen Galaxien widerlegen bisherige Annahmen über eine lange reine Wasserstoffphase und belegen einen frühen kosmischen Stoffkreislauf.
James Webb enthüllt frühe Sauerstoffspuren im All
Schon 500 Millionen Jahre nach dem Urknall enthielt das Gas zwischen den Galaxien die lebenswichtigen Elemente Sauerstoff, Kohlenstoff und Silizium. Das belegen neue astronomische Beobachtungen, die ein Forschungsteam aus den USA und Japan mit dem Weltraumteleskop James Webb durchgeführt hat und im Fachblatt Nature veröffentlichte. Bislang ging die astronomische Forschung davon aus, dass in dieser jungen Phase des Kosmos außerhalb von Galaxien ausschließlich die leichten Elemente Wasserstoff und Helium zu finden waren.
Beim Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren entstanden der heutigen physikalischen Theorie nach nur Wasserstoff, Helium sowie geringe Mengen an Lithium. Alle schwereren Atome bildeten sich erst später durch Kernfusion im inneren von Sternen. Die ersten Sternsysteme formten sich nach Hunderten Millionen Jahren aus dichten Gaswolken. Zwar transportierten Sternexplosionen diese schwereren Atome in den Raum, doch dieser Prozess galt als zu langsam, um das umgebende Gas so früh anzureichern. Die aktuellen Messdaten stellen diese Lehrbuchmeinung nun auf den Kopf.
Drei junge Galaxien dienen als kosmische Hintergrundbeleuchtung
Für die Analyse nahmen die Forschenden drei leuchtkräftige Galaxien ins Visier, deren Licht mehr als 13 Milliarden Jahre zur Erde unterwegs war. Die Astronomen blicken damit direkt in die Epoche zurück, als das Universum erst 515, 655 und 730 Millionen Jahre alt war. Genutzt wurde dabei ein optischer Trick.
„Wir nutzen die Galaxien sozusagen als Hintergrundbeleuchtung. Auf seinem Weg zur Erde durchquert das Licht das Gas in der Umgebung der Galaxie. So können wir einzelne Elemente entdecken, wenn sie einen Teil des Lichts absorbieren.“
Yongda Zhu, University of Arizona in Tucson, via N TV
Die ausgewerteten Spektren des JWST zeigten in der Umgebung aller drei untersuchten Systeme charakteristische Absorptionslinien. Diese Linien deckten Spuren mehrerer Ionisationsstufen von Sauerstoff, Silizium und Kohlenstoff auf – von neutralen Atomen bis hin zu mehrfach ionisierten Formen.
Schnelle Gasbewegungen und ein früher Stoffkreislauf
Die Messungen lieferten nicht nur den Nachweis der Elemente, sondern gaben auch Aufschluss über deren Dynamik. Die Absorptionslinien waren gegenüber der aus Nebellinien bestimmten Geschwindigkeit der jeweiligen Galaxie überwiegend blauverschoben. Gemessene Geschwindigkeitsabstände von etwa 50 bis 250 Kilometern pro Sekunde verdeutlichen, dass das metallreiche Gas bereits damals stark in Bewegung war. Die Forschenden weisen jedoch darauf hin, dass diese Daten allein noch keinen eindeutigen Beweis für großräumige Galaxienwinde darstellen, da auch Turbulenzen und interne Prozesse zu den Linienformen beitragen können.
Dennoch deuten die überlappenden Strukturen auf einen aktiven Materieaustausch hin. Die Galaxien blasen das angereicherte Gas in ihre Umgebung hinaus, von wo aus es nach Jahrmilliarden wieder in andere Sternsysteme gelangen kann. Dieser Kreislauf, bekannt als Baryonenzyklus, begann nach diesen Daten viel früher als bislang angenommen. Die neuen Erkenntnisse könnten zudem eine alte Frage der Astronomie beantworten: Die Suche nach rein aus Wasserstoff und Helium bestehenden Sternen der ersten Generation blieb bislang erfolglos, weil diese reine Phase offenbar so rasch endete, dass solche Himmelskörper kaum Spuren hinterließen.
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