Drei Galaxien aus der Frühzeit des Universums haben nach Beobachtungen des Weltraumteleskops James Webb bereits 500 Millionen Jahre nach dem Urknall schwere Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Silicium produziert und im intergalaktischen Raum verteilt. Die im Fachmagazin Nature Astronomy vorgestellten Ergebnisse werfen neue Fragen zur Entstehung der ersten Sterne auf.
Frühe Metalle im Kosmos: Wie drei Galaxien die Modelle herausfordern
Lange Zeit gingen Astronomen davon aus, dass das Gas in der unmittelbaren Umgebung der allerersten Galaxien weitgehend unberührt war. Die gängige Theorie sah vor, dass der Kosmos zu jener Zeit vor allem aus den leichten Urelementen Wasserstoff und Helium bestand. Eine Studie von Forschern der University of Arizona zeichnet nun ein völlig anderes Bild dieser kosmischen Epoche. Demnach liefen die chemische Anreicherung und die Verteilung schwerer Elemente im Universum deutlich schneller ab als bislang angenommen.
Das Team um Erstautor Yongda Zhu untersuchte das Licht von drei Galaxien, das vor mehr als 13 Milliarden Jahren ausgesandt wurde und die Erde heute erreicht. Die Beobachtungen fallen in die sogenannte Epoche der Reionisierung – eine Phase, in der die ersten Sternengeneration die neutralen Wasserstoffatome im Universum ionisierten und den Kosmos für ultraviolettes Licht durchsichtig machten. Statt reiner Wasserstoffwolken entdeckten die Forscher in den Spektren unverkennbare Signaturen von Kohlenstoff, Sauerstoff und Silicium.
Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop
Möglich wurden diese Einblicke erst durch die Leistungsfähigkeit des Weltraumteleskops James Webb. In rund 30 Stunden an Infrarot-Beobachtungszeit durchforstete Zhu öffentlich zugängliche Spektren aus Hunderten von Galaxien. Dabei stieß er auf jene drei Objekte, deren Absorptionsmuster den Abtransport schwerer Elemente verrieten.
Dass die chemischen Fingerabdrücke dieser urtümlichen Systeme bereits denen deutlich späterer, hochentwickelter Galaxien ähnelten, begründet Zhu mit einer anschaulichen Analogie. Die Elemente würden sich wie Lebensmittelfarbe in einem Becher voller Wasser
im Kosmos ausbreiten, erklärte der Forscher laut den Berichten. Die gemessenen Absorptionslinien waren gegenüber der Rotverschiebung der Galaxien leicht verschoben, was eine von den Sternsystemen wegführende und nach außen strömende Gasbewegung belegt.
Rätselhafte Population III und das Vanilleeis-Prinzip
Die überraschend frühe Verbreitung schwerer Elemente könnte zugleich ein langjähriges Rätsel der modernen Astrophysik lösen. Die allererste Generation von Sternen nach dem Urknall, die als Population III bezeichnet wird, besteht ausschließlich aus primordialem Material. Bislang fiel es Forschern extrem schwer, Spuren dieser ersten Sterne nachzuweisen, weil sie rein theoretischen Modellen zufolge rasch in massereichen Supernovae vergingen.
Wenn jedoch bereits nach einer halben Milliarde Jahren schweres Material wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Magnesium in Umlauf war, bedeutet dies laut aktuellen Veröffentlichungen, dass jene allerersten Sterne viel früher abgelöst wurden als bisher gedacht. Zhu vergleicht diesen raschen Übergang mit der Zubereitung einer Nachspeise: Er erinnert sich dabei an Vanilleeis, in das man Streusel mischt, wobei es nicht lange dauere, bis man kein reines, schlichtes Vanilleeis mehr finden könne, so der Forscher in Anspielung auf die schnelle Durchsetzung des primordialen Gases mit schwereren Elementen.
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