Schematische Darstellung der Geschichte des Universums unter Hervorhebung der Reionisierung, die erst nach der Bildung der ersten Sterne und Galaxien ernsthaft erfolgt. Bevor sich Sterne oder Galaxien bildeten, war das Universum voller lichtblockierender, neutraler Atome. Während der größte Teil des Universums erst 550 Millionen Jahre später reionisiert wird, werden einige glückliche Regionen zu früheren Zeiten größtenteils reionisiert. Bildnachweis: SG Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center.

5 überraschende Fakten über die ersten Galaxien im Universum

Obwohl wir sie noch nie gesehen haben, wissen wir Folgendes bereits.

„Plötzlich eröffnen sich ganz neue Programme, Dinge, die Sie tun können, die Sie noch nie zuvor getan haben. Es wäre wissenschaftlich großartig, es wäre großartig für die Nation, für Pädagogen, für Studenten und es wäre einfach großartig für die breite Öffentlichkeit. “ -Garth Illingworth

Eine der bemerkenswertesten Tatsachen über unser Universum ist, dass es nicht für immer existiert. Die Klumpen und Cluster von Materie, die wir sehen - Planeten, Sterne, Gaswolken, Galaxien und mehr - sind aus kleineren Materieteilen gewachsen, die im Laufe der Zeit durch Gravitation gewachsen und verschmolzen sind. Wenn wir Objekte in immer größeren Entfernungen betrachten, braucht das Licht von ihnen länger, um unsere Augen zu erreichen, was bedeutet, dass das heute ankommende Licht vor Millionen oder sogar Milliarden von Jahren emittiert wurde. Wenn wir in den Raum zurückblicken, blicken wir auch in die Zeit zurück. Irgendwann werden wir eine Entfernung erreichen, die so groß ist, dass es damals keine Sterne oder Galaxien gab. Obwohl das James Webb-Weltraumteleskop benötigt wird, um diese ersten Galaxien zu betrachten, gibt es fünf überraschende Tatsachen, von denen wir bereits wissen, dass sie für diese entferntesten Objekte von allen zutreffen müssen.

Protoplanetare Scheiben, mit denen sich vermutlich alle Sonnensysteme bilden, werden im Laufe der Zeit zu Planeten verschmelzen, wie diese Abbildung zeigt. Wenn das Universum jedoch nur aus Wasserstoff und Helium besteht, können sich nur gasförmige Planeten bilden, keine felsigen. Bildnachweis: NAOJ.

1.) Unter den ersten Sternen und Galaxien sind keine felsigen Planeten vorhanden. Wann immer Sie aus einer molekularen Gaswolke Sterne bilden, können Sie davon ausgehen, dass dieses Gas in eine ganze Reihe von Klumpen zerfällt, die unterschiedlich schnell wachsen, je nachdem, wie groß sie zunächst sind und was sich sonst noch in ihrer Nähe befindet. Große Gaswolken werden Sterne und Planeten in vielen verschiedenen Größen wachsen lassen, aber selbst die kleinsten Welten, die sich zuerst bilden, werden ausschließlich aus Gas bestehen: Wasserstoff und Helium. Ohne frühere Generationen von Sternen gibt es keine schwereren Elemente, um feste Körper wie felsige Planeten oder Monde zu bilden. Es können sich kleine Gaskugeln bilden, aber wenn sich diese Sterne entzünden, werden sie einfach durch die ionisierende Strahlung dieser ersten Kernbrände im Universum in den interstellaren Raum verbrannt.

Galaxien, die mit der heutigen Milchstraße vergleichbar sind, sind zahlreich, aber jüngere Galaxien, die der Milchstraße ähneln, sind von Natur aus kleiner, blauer und im Allgemeinen gasreicher als die Galaxien, die wir heute sehen. Für die ersten Galaxien von allen ist dies extrem. Bildnachweis: NASA und ESA.

2.) Die frühesten Galaxien sind winzig im Vergleich zu denen, die wir heute haben. Wenn sich die ersten neutralen Atome im Universum bilden, sind sie bereits ganz leicht zu über- und unterdichten Regionen einer bestimmten Größe zusammengefasst. Diese enthalten einige hunderttausend bis einige Millionen Sonnenmassen und bilden die Keime der ersten Sternhaufen. In vielleicht 50 bis 200 Millionen Jahren lässt die Gravitation diese ersten Gaswolken zusammenbrechen und die allerersten Sterne bilden. Wenn sich Sternhaufen durch Gravitation miteinander verbinden, kommt es zu einer raschen Sternentstehung, und an diesem Punkt können wir sagen, dass wir die ersten Galaxien des Universums gebildet haben. Auch wenn sie nur einen winzigen Bruchteil der Masse der Milchstraße ausmachen, vielleicht 0,001% so massereich wie wir, handelt es sich tatsächlich um eigenständige Galaxien, die Sterne, Sternhaufen, Planeten, Gas, Staub und sogar enthalten Lichthöfe der dunklen Materie.

Das Hubble eXtreme Deep Field, unser bisher tiefster Blick auf das Universum, zeigt Galaxien aus der Zeit, als das Universum nur 3–4% seines aktuellen Alters betrug. Dies ist jedoch die absolute Grenze dafür, wie weit Hubble gehen kann; Eine längere Beobachtungszeit zeigt schwächere Galaxien, aber keine weiter entfernten. Bildnachweis: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee und P. Oesch, Universität von Kalifornien, Santa Cruz; R. Bouwens, Universität Leiden; und das HUDF09-Team.

3.) Selbst wenn Hubble das ferne Universum für immer betrachten würde, würde es diese ersten Galaxien niemals sehen. Das Licht, das diese Galaxien emittieren, sollte dem Licht ähneln, das heute von neu sternbildenden Galaxien emittiert wird. Wenn sich eine Galaxie zum ersten Mal bildet, sollte sie voller heißer, heller, kurzlebiger blauer Sterne sein, die die Leuchtkraft aller anderen dominieren. Aber im Gegensatz zu nahe gelegenen Galaxien erfordert das Licht dieser frühesten Galaxien eine enorme kosmische Reise - eine, die aus unserer Sicht über 13 Milliarden Jahre dauert -, um unsere Augen zu erreichen. Während dieser Zeit dehnt sich das Universum aus und bewirkt, dass sich die Wellenlänge dieses anfänglich ultravioletten Lichts durch das Sichtbare, durch das nahe Infrarot und in den mittleren Infrarotbereich des Spektrums rot verschiebt. Selbst wenn Hubble, der Licht weit ins nahe Infrarot sehen kann, den Himmel für immer betrachten würde, wäre es niemals in der Lage, Galaxien bis zu einer Rotverschiebung von 15 zu 25 zu erkennen, wo die ersten erwartet werden. Dafür brauchen wir James Webb.

Der Cluster RMC 136 (R136) im Tarantelnebel in der großen Magellanschen Wolke beherbergt die massereichsten bekannten Sterne. R136a1, der größte von allen, ist mehr als 250-mal so groß wie die Masse der Sonne. Bildnachweis: European Southern Observatory / P. Crowther / CJ Evans.

4.) Die massereichsten Sterne im Universum existierten nur zu diesen frühesten Zeiten. Wenn wir heute tief in eine ultramassive Sternentstehungsregion schauen, erwarten wir, die hellsten, leuchtendsten und massereichsten Sterne von allen zu finden. Der größte in unserer lokalen Gruppe, der Tarantula-Nebel (oben) in einer Satellitengalaxie der Milchstraße, enthält Material im Wert von vielen hunderttausenden Sonnenmassen sowie den massereichsten bekannten Stern: R136a1. Mit der 260-fachen Masse unserer Sonne ist es der massereichste Stern, der jemals entdeckt wurde. Aber es ist auch voller Elemente, die sich hoch im Periodensystem erheben, ähnlich wie unsere eigene Sonne, die das anfängliche Wachstum massereicher Sterne unterdrückt. Da sie nur aus unberührtem Wasserstoff und Helium bestanden, fehlte den ersten Sternen diese Unterdrückung und sie konnten zu noch größeren Massen heranwachsen. Wie groß sind sie geworden? 500 mal so massiv wie die Sonne? 1000 mal? 2.000 mal? Mit etwas Glück wird uns James Webb die Antwort beibringen.

Die Absorption des Millimeterwellenlängenlichts, das von Elektronen emittiert wird, die um starke Magnetfelder sausen, die vom supermassiven Schwarzen Loch der Galaxie erzeugt werden, führt zum dunklen Fleck im Zentrum dieser Galaxie. Der Schatten zeigt an, dass kalte Molekülgaswolken auf das Schwarze Loch regnen. Solche supermassiven Schwarzen Löcher oder zumindest deren Samen sollten in den ersten Galaxien des Universums gefunden werden. Bildnachweis: NASA / ESA & Hubble (blau), ALMA (rot).

5.) Die ersten supermassiven Schwarzen Löcher sollten in diesen ersten Galaxien fast vom Moment ihrer Geburt an existieren. Paradoxerweise ist die Lebensdauer eines Sterns umso kürzer, je massereicher er ist. Die massereichsten Sterne von allen leben nur wenige Millionen Jahre, bevor sie entweder zur Supernova werden oder direkt zusammenbrechen. In beiden Fällen produzieren sie massive schwarze Löcher. Diese Schwarzen Löcher wandern schnell in das Zentrum von Galaxien, wo sie zusammenwachsen und Materie ansammeln und die Keime der supermassiven Schwarzen Löcher werden, die wir heute sehen. Diese frühesten Galaxien können, selbst wenn sie zum ersten Mal sichtbar werden, schwarze Löcher enthalten, die viele hunderttausende oder sogar millionenfach so massereich sind wie unsere Sonne, vergleichbar mit der im Zentrum der Milchstraße vorhandenen vier Millionen Sonnenmasse. Diese Objekte müssen da sein, und James Webb könnte uns zeigen, wie massiv sie wirklich sind.

Die großräumige Struktur des Universums ändert sich im Laufe der Zeit, da winzige Unvollkommenheiten wachsen, um die ersten Sterne und Galaxien zu bilden, und sich dann zu den großen, modernen Galaxien zusammenschließen, die wir heute sehen. Der Blick auf große Entfernungen zeigt ein jüngeres Universum, ähnlich wie in unserer Region in der Vergangenheit. Bildnachweis: Chris Blake und Sam Moorfield.

Diese ultra-fernen, ultra-jungen und ultra-winzigen Galaxien bleiben wohlgemerkt nicht lange so. Vor langer Zeit war jede nahegelegene Galaxie, die wir heute sehen, nicht mehr so ​​anders als die allerersten, die wir ab etwas mehr als einem Jahr entdecken werden, wenn James Webb startet und bereitgestellt wird. Die ersten, die sich bilden, sind am schnellsten durch Gravitation gewachsen, und mit der Zeit werden sie mit 13,8 Milliarden Jahren immer mehr Materie anziehen, und sie selbst werden wahrscheinlich riesige Spiralen oder Ellipsentrainer in ihren eigenen Gruppen und Clustern sein wie wir sind. Aber wir haben derzeit keine Möglichkeit zu wissen, wie die Vergangenheit unserer eigenen Milchstraße im Detail war. Schließlich ist das große Verbrechen des Universums, dass wir es heute nur zu einem bestimmten Zeitpunkt sehen können. Trotz der gesamten kosmischen Geschichte dessen, was geschehen ist, wissen wir nur die Überlebenden, wenn es darum geht, wo wir jetzt sind.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.