Wissenschaftler haben mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops nachgewiesen, dass frühe Galaxien bereits wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall schwere Elemente wie Sauerstoff in den intergalaktischen Raum verteilten. Diese Beobachtungen korrigieren bisherige Annahmen über das junge Universum und geben Aufschluss über einen kosmischen Stoffkreislauf.
Neue astronomische Messungen werfen ein völlig neues Licht auf die chemische Entwicklung des frühen Kosmos. Bislang gingen Forscher davon aus, dass in der Ära unmittelbar nach dem Urknall außerhalb von Sternensystemen lediglich reiner Wasserstoff und Helium zu finden waren. Doch Auswertungen von Daten, die von einem Forschungsteam aus den USA und Japan mit dem Weltraumteleskop James Webb gewonnen wurden, belegen das Gegenteil: Bereits 500 Millionen Jahre nach dem Urknall enthielt das Gas zwischen den Galaxien spürbare Mengen an Sauerstoff, Kohlenstoff und Silizium, wie die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“ berichten.
Beobachtungen an drei frühen Galaxien
Für diese Erkenntnisse analysierte das Forschungsteam das Licht von drei weit entfernten Galaxien, deren Licht über 13 Milliarden Jahre zur Erde unterwegs war. Die betreffenden Sternsysteme existierten vor mehr als 13 Milliarden Jahren – genauer gesagt 730, 655 und 515 Millionen Jahre nach dem Urknall. Um die chemische Zusammensetzung des umgebenden Gases zu bestimmen, wandten die Himmelsforscher eine spezielle Methode an.
Recycling löst altes Problem
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.
Im Licht aller drei untersuchten Galaxien stießen Zhu und Kollegen auf die Spuren von Sauerstoff, Kohlenstoff und Silizium. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass die Realität im jungen Universum komplexer war als bisher angenommen.
Ein früher kosmischer Stoffkreislauf
Beim Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren entstanden der gängigen Theorie nach lediglich die Elemente Wasserstoff und Helium sowie eine geringe Menge an Lithium. Alle schwereren Elemente bildeten sich erst später durch Kernfusion in Sternen. Bislang gingen Astronomen davon aus, dass es viel Zeit bedarf, bis Sternexplosionen diese Elemente weit genug in den intergalaktischen Raum hinaustragen, weshalb das Gas fernab der ersten Sterne für einen langen Zeitraum im reinen, ursprünglichen Zustand verbleiben sollte. Die aktuellen Messungen widerlegen diesen zeitlichen Aufschub.
Frühe Galaxien verteilten Sauerstoff im Weltraum
Schwere Elemente entweichen schon sehr, sehr früh in der kosmischen Geschichte aus Galaxien, wie wir beobachtet haben. Die Galaxien erzeugen also diese Elemente nicht nur, sondern sie verteilen sie auch schon – und reichern so wiederum andere Galaxien mit diesen Elementen an.
Das Gas, das diese Elemente enthält, strömt demnach von den Galaxien weg in die direkte Umgebung und bläst das mit schwereren Elementen angereicherte Gas in seine Umgebung hinaus. Von dort aus können die Elemente nach Millionen von Jahren wieder in eine andere Galaxie hineingelangen. Astronomen bezeichnen diesen Vorgang als kosmischen Stoffkreislauf – die schweren Elemente gehen im intergalaktischen Raum nicht verloren, sondern werden recycelt und reichern sich auf diese Weise über die Jahrmilliarden in den Sternen an. Dieses Recycling hat laut Zhu und seinen Kollegen bereits wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall begonnen, viel früher als bislang vermutet.
Mögliche Erklärung für das Rätsel der ersten Sterne
Dieses frühzeitige Recycling könnte auch ein Problem lösen, das die Himmelsforscher seit Langem plagt. Die ersten Sterne im Kosmos sollten ausschließlich aus Wasserstoff und Helium bestehen. Doch trotz intensiver Suche konnten Astronomen bislang keine solchen Sterne der ersten Generation aufspüren.
Da die Beobachtungen zeigen, dass intergalaktisches Gas bereits nach wenigen hundert Millionen Jahren angereichert war, existierten die Bedingungen für solche reinen Sterne unter diesen Umständen. Wie die Beobachtungen von Zhu und seinen Kollegen belegen, liefert das Phänomen wichtige Hinweise zur Beantwortung dieser offenen Fragen.
