Die Menschen haben lange Zeit in den Sternen eine Bedeutung gefunden, aber erst vor kurzem haben wir begonnen, ganze Cluster von ihnen zu verstehen – Galaxien, weit draußen in den Tiefen des Weltraums. Einige nahe gelegene Galaxien wie Andromeda waren schon immer mit bloßem Auge als düsterer Fleck am Nachthimmel sichtbar. Andere schimmernde Strukturen wurden uns nach der Erfindung des Teleskops im 17. Jahrhundert bekannt, zusammen mit einer Debatte über ihre Natur: Waren es Wolken aus kosmischem Staub innerhalb unserer Milchstraße oder eigene „Inseluniversen“?
Erst in den 1920er Jahren identifizierte die Menschheit diese leuchtenden Wolken als Galaxien, als der Astronom Edwin Hubble (der sich auf die Arbeit einer weniger bekannten Astronomin, Henrietta Leavitt, stützte) feststellte, dass einige Sterne zu weit entfernt waren, um zur Milchstraße zu gehören. Und erst Mitte der 1990er Jahre, als ein nach Hubble benanntes Weltraumteleskop weiter ins Universum blickte als je zuvor, entdeckten wir die Tausenden von Galaxien, die über das Universum schimmerten – Insel um Insel in einem riesigen kosmischen Meer.
Nach Hubble waren Astronomen ziemlich zuversichtlich, Galaxien zu verstehen und wie die Natur sie macht. Aber einige neue, überraschende Entwicklungen sind kürzlich aufgetaucht, dank eines Weltraumteleskops, das weitaus leistungsstärker als Hubble ist. Das James-Webb-Weltraumteleskop, das seit letztem Sommer voll in Betrieb ist, hat gezeigt, dass Galaxien viel früher nach dem Urknall entstanden sind, als Wissenschaftler bisher angenommen hatten – und dass einige von ihnen unerwartet groß und voller Sterne sind. Die Ergebnisse haben Wissenschaftler in eine neue Realität geworfen, in der ihre bestehenden Theorien länger gelten.
Jeder in der Astronomie-Community wusste, dass das Webb-Teleskop revolutionär sein würde. „Und wir hatten eine sehr klare Liste von Dingen, von denen wir dachten, Webb würde uns total aus den Socken hauen“, sagte mir Joel Leja, ein Astronom an der Penn State University. Aber die Entdeckung von kosmisch klobigen Galaxien, wo es keine geben sollte? „Das stand nirgendwo drauf. Niemand hat danach gesucht.“
Instrumente wie Hubble und Webb sind so etwas wie Zeitmaschinen. Wenn die Observatorien in die Tiefe blicken, sonnen sie sich im Sternenlicht, das seine Quelle vor Äonen verlassen hat und seitdem durch das Universum auf uns zukommt; Mit anderen Worten, um den kosmischen Anfang zu verstehen, müssen Astronomen nach den entferntesten Galaxien suchen. Vor Webb glaubten Wissenschaftler, dass diese frühen, fernen Galaxien in gemächlichem Tempo entstanden. Die ersten Sterne entstanden, als Wolken aus Wasserstoffgas in sich zusammenfielen und sich entzündeten. Dann zog die Schwerkraft die alten Kugeln zu Galaxien zusammen.
Es wurde angenommen, dass dieses Zusammenziehen unterschiedlicher Materie zu massiven kosmischen Nachbarschaften mindestens 1 Milliarde Jahre gedauert hat. Sicher, die entfernteste Galaxie, die Hubble jemals entdeckt hat, war für die damaligen kosmischen Bedingungen unerwartet hell, was auf eine größere Ansammlung von Sternen hindeutet, als möglich gewesen wäre. Aber die Astronomen hielten sich damals nicht allzu viel dabei. Sie erwarteten, dass Webb mit seiner ultrastarken Infrarotsicht die Startergalaxien entdecken würde, die sie erwartet hatten und die Hubble nicht sehen konnte.
Ha! sagte das glänzende neue Teleskop. In Webbs ersten Wochen, als Astronomen rasten, um die entferntesten jemals entdeckten Galaxien zu finden, fragten sie sich, ob die Daten tatsächlich falsch waren. Die alten Galaxien waren einfach zu groß und hell. Eine Neukalibrierung von Webbs Instrumenten in Kürze zeigte dass einige Messungen falsch waren, wodurch einige Galaxien weiter entfernt erschienen, als sie tatsächlich waren, und einige Behauptungen wurden revidiert. Aber die Ergebnisse des Gesamtbildes blieben bestehen. Das frühe Universum war irgendwie kühn und dreist und bemerkenswert leuchtend. „Die Objekte, die wir finden, sind so massiv oder größer als die Milchstraße, was erstaunlich ist“, sagte Leja, die letzte Woche eine Veröffentlichung mitveröffentlichte, in der sechs riesige Galaxien identifiziert wurden, die nur 500 bis 700 Millionen Jahre nach der Großen existierten Knall. Eine dieser Galaxien könnte die 100-Milliarden-fache Masse unserer Sonne haben. Unsere eigene Galaxie enthält in ähnlicher Weise viele Milliarden Sterne, aber sie hatte 13 Milliarden Jahre seine Größe zu erreichen.
Für einen kurzen Moment schien diese neue Realität das grundlegende Verständnis der Astronomen über den gesamten Kosmos zu bedrohen. Wenn der Ausgangspunkt aussah DasKönnte das Standardmodell der Kosmologie – unsere stärkste Theorie über den Ursprung und die Zusammensetzung des Universums, diejenige, die nicht berücksichtigt, was Webb fand – falsch sein? Aber Astronomen glauben jetzt, dass die Theorie die Überraschungen des neuen Teleskops berücksichtigen kann. Jüngste Computersimulationen, die vom Standardmodell geleitet wurden, haben gezeigt, dass das Universum tatsächlich einige der Galaxien geschaffen haben könnte, die Webb gefunden hat. „Obwohl die Daten auf den ersten Blick nicht mit kosmologischen Modellen übereinstimmen, denke ich, dass wir herausfinden werden, dass nicht die Kosmologie das Problem ist, sondern wirklich das, was wir über die Entstehung von Galaxien wissen“, sagte Leja .
Die möglichen Erklärungen dafür, wie Astronomen falsch lagen, sind zahlreich. Vielleicht haben sich frühe Sterne viel effizienter gebildet, als wir dachten, durch Mechanismen, die Wissenschaftler zuvor nicht berücksichtigt hatten. Allison Kirkpatrick, eine Astronomin an der University of Kansas, die sich mit der Entwicklung von Galaxien befasst, fragt sich, ob kosmischer Staub in diesen Galaxien Webb einen Streich spielen könnte und Sterne älter erscheinen lässt, als sie wirklich sind – und vielleicht war kosmischer Staub damals einfach anders. Ivo Labbé, Astronom an der Swinburne University of Technology, vermutet, dass Schwarze Löcher eine Rolle spielen könnten: Sie gehören zu den leuchtendsten Objekten im Universum, wenn sie sich von kosmischer Materie ernähren, die beim Einsaugen leuchtet. „Wenn du Wenn man viel Gas in ein Schwarzes Loch schüttet, wird es beginnen, die gesamte Galaxie zu überstrahlen“, sagte mir Labbé. Solche Schwarzen Löcher könnten frühe Galaxien heller und voller Sterne erscheinen lassen. Aber keine dieser Möglichkeiten wird die Tatsache rückgängig machen, dass die ersten Inseluniversen nicht das sind, was wir erwartet haben. Selbst wenn man einige seltsame neue Phänomene berücksichtigt, „ist alles zu groß, und es ist zu groß, zu früh“, sagte mir Kirkpatrick.
Die Untersuchung dieser Fragen wird mehr Webb-Beobachtungen erfordern, insbesondere solche, die detailliertere Messungen des Sternenlichts liefern, bekannt als Spektroskopie. Astronomen brauchen mehr, um zu bestätigen, dass die ungewöhnlichsten Galaxien, die sie gefunden haben, echt sind. Und wenn sie wirklich so alt und groß sind, wie sie scheinen, wird das Verständnis ihrer Zusammensetzung den Astronomen helfen, die Bedingungen herauszufinden, unter denen sie entstanden sind. Die Forscher sind jetzt mittendrin, mit neuen spektroskopischen Daten, die in diesem Frühjahr erwartet werden. Die Anstrengung grenzt an Seelensuche. Ursprüngliches Sternenlicht war noch nie so gefragt, und Astronomen und Theoretiker – diejenigen, die kosmische Wunder beobachten, bzw. diejenigen, die sie erklären – wissen nicht genau, was sie finden werden, wenn sie fertig sind. „Es wird wahrscheinlich ungefähr fünf Jahre dauern, bis wir uns vollständig in unserem neuen Universum eingelebt haben, das wir von JWST bekommen haben“, sagte mir Wren Suess, ein Astronom an der UC Santa Cruz und Stanford.
In gewisser Weise haben diese neuen Entdeckungen Drama, ja sogar Angst in ein Feld gebracht, das ziemlich stabil war. „Es ist unglaublich, dass das Universum so viel seltsamer ist, als wir dachten“, sagte mir Erica Nelson, Astronomin an der University of Colorado in Boulder. Aber in einem anderen Sinne macht es einfach Spaß. Als ich Kirkpatrick fragte, ob sie sich wegen der Ungewissheit ihres Berufes gestresst fühle, kicherte sie vor Freude. „Das ist der Anfang des Universums!“ Sie sagte. “Es wird mein Leben nicht beeinflussen, also macht es wirklich Spaß, über solche Dinge nachzudenken.”
Als ich mit Astronomen darüber gesprochen habe, was Webb bisher herausgefunden hat, taucht immer wieder ein Wort auf: sollte nicht. Galaxien sollte nicht so sein; die kosmische Dämmerung sollte nicht sei auch so. Ich finde diese sollte nicht herrlich. Sie deuten auf die gut gemeinte Hybris der Menschen hin, besonders der Neugierigsten, derjenigen, die genau bestimmen wollen, wie etwas funktioniert und warum. Aber natürlich sagt uns das Universum durch ein riesiges Teleskop, das eine Million Meilen von der Erde entfernt schwebt: So ist es. So war es offenbar schon immer. Wir entdecken gerade das Wunder daran.