James-Webb-Teleskop: Enthüllt das leistungsstärkste Weltraumteleskop die Ursprünge des Universums?

Das leistungsstärkste Weltraumteleskop, das je gebaut wurde, fahndet nach den Ursprüngen des Universums. Es blickt auf 13 Milliarden Jahre alte Galaxien.

Von Jay Bennett
Veröffentlicht am 5. Okt. 2023, 12:26 MESZ
Die ersten Sterne. Foto: James-Webb-Weltraumteleskop

Die früheste Galaxie, die Webb bisher entdeckt hat, ist JADES-GS-z13-0 (im Bild), die 325 Millionen Jahre nach dem Urknall entstand. Ein Computermodell zeigt die Details solcher frühen Galaxien während ihrer Entstehung, wie massereiche Sterne (gelb) schwere Elemente in Supernovae (blau und grün) verstreuen und mehrere Galaxien Form annehmen (oben), wobei sie Sterne und Gas in gravitativ gebundene Strukturen ziehen.

Foto von COSMIC RENAISSANCE, JOHN WISE, TOM ABEL,BRIAN O’SHEA, MICHAEL NORMAN. VISUALIZATION: RALF KAEHLER AND TOM ABEL, STANFORD UNIVERSITY/KIPAC/SLAC. INSET: NASA, ESA, CSA, M. ZAMANI; ESA/WEBB, LEAH HUSTAK; STSCI

Vor mehr als 13,5 Milliarden Jahren, als das Universum noch jung war, leuchteten keine Sterne im Raum. In dieser Ära, dem sogenannten Dunklen Zeitalter, war der Kosmos mit Wasserstoff und Helium gefüllt, den Grundbausteinen aller künftigen Welten. Daneben gab es einen mysteriösen Stoff, die sogenannte Dunkle Materie. Ihre Schwerkraft zog das Gas in ein komplexes Geflecht. Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, verdichtete sich ein Teil der Dunklen Materie zu riesigen Kugeln und drängte das Gas in deren Kernbereiche. Der steigende Gravitationsdruck innerhalb dieser sogenannten Halos ließ die Wasserstoffatome zu Helium fusionieren: Die ersten Sterne des ursprünglichen Universums entstanden.

Ich betrachtete diese kosmische Morgendämmerung durch eine 3-D-Brille. Auf dem Bildschirm im Kavli Institut für Teilchenphysik und Kosmologie (KIPAC) der Stanford University verzweigten sich geisterhaft graue Filamente aus Dunkler Materie mit der Expansion des Universums zwischen Halos. Strudel neugeborener Sterne umwirbelten die Zentren der Halos und bildeten die ersten Galaxien. Wissenschaftler erforschen die Entstehungsgeschichte des Universums seit Jahrzehnten. Seit vergangenem Jahr schreibt das größte und modernste Weltraumteleskop, das je gebaut wurde, die ersten Kapitel neu: Uralte Galaxien, die das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) aufgespürt hat, sind offenbar heller, zahlreicher und aktiver als erwartet. Sie offenbaren einen stürmischen Auftakt der Saga von Raum und Zeit.

​Blick auf 13 Milliarden Jahre alten Galaxien

Webb kann die ersten Sterne nicht sehen; sie waren nicht leuchtstark genug, um einzeln ausmachbar zu sein. Diese frühen Ungetüme glühten heiß und wuchsen ins Unermessliche, ehe sie wenige Millionen Jahre nach ihrer Entstehung in Supernova-Explosionen verglühten – ein Wimpernschlag in der astronomischen Zeit. Diese Lichtblitze, Supernovae von Sternen mit teils mehreren Hundert Sonnenmassen, veränderten das Universum. Neue Elemente entstanden: Sauerstoff zur Bildung von Wasser, Silicium zum Aufbau von Planeten, Phosphor zur Energieversorgung von Zellen. Sie verbreiteten sich in den Raum. Die ersten Sterne spalteten Atome des umgebenden Wasserstoffgases, verbrannten den kosmischen Nebel und machten das Universum durchsichtig – die sogenannte Reionisierungsepoche.

Als sich der Nebel lichtete, bildeten sich Sterngruppen und verbanden sich zu immer größeren Ansammlungen, darunter auch die Keimzelle unserer Milchstraße. Als man in den 1990er-Jahren begann, die Geburt der ersten Sterne zu modellieren, wusste niemand, was das älteste astronomische Objekt gewesen war. Computersimulationen legten den Schluss nahe, dass es sich bei den ersten Objekten um Sterne gehandelt haben musste, die an Orten entstanden, an denen die Schwerkraft allmählich die Oberhand über das nach außen drängende Gas gewann. Und irgendwann dachte man, beim Thema Sternentstehung gäbe es nichts Neues mehr herauszufinden.

Dann kam Webb. Das Weltraumteleskop, das am Weihnachtsmorgen 2021 in den Weltraum geschickt wurde, ist inzwischen mehr als eine Million Kilometer von der Erde entfernt positioniert. Sein 6,5 Meter großer, goldbeschichteter Hauptspiegel fängt das Licht uralter Galaxien ein, das seit mehr als 13 Milliarden Jahren durch das All reist und die Galaxien so zeigt, wie sie in der fernen Vergangenheit waren. Astronomen hatten erwartet, mit Webb ein paar solcher junger Galaxien zu finden. Nicht erwartet hatten sie, derart viele zu finden – oder dass die Entdeckungen ihr Verständnis der galaktischen Geschichte erschüttern könnten.

Das James-Webb-Weltraumteleskop gewährt Einblick in unbekannte Tiefen des Universums. Unter Tausenden von Sternen und Galaxien liegt ein heller, Licht krümmender Sternhaufen im Zentrum.

Foto von NASA, ESA, CSA, KRISTEN MCQUINN, RUTGERS UNIVERSITÄT; ZOLT G. LEVAY, ALYSSA PAGAN, STSCI

​Tiefe Beobachtung des Raums

Die bislang tiefste Durchmusterung des Universums startete im September 2022, als eine internationale Kooperation namens JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) anfing, mit Webb Himmelsareale über Dutzende Stunden zu beobachten. Zwei Wochen nach Beginn der Beobachtungen kam das Team an der University of Arizona in Tucson zusammen, um erste Ergebnisse zu besprechen. Rund 50 Astronomen drängten sich im Hörsaal zusammen; manche fanden nur noch Stehplätze. „Künftig werde ich wohl größere Räume reservieren müssen“, meinte die Astronomin Marcia Rieke, die in leitender Funktion beim JADESProjekt mitarbeitet. Die Wissenschaftler, Lehrstuhlinhaber wie Studenten, betrachteten fasziniert das Mosaikbild auf ihren Laptops: Hunderte Fotos, von Webb aufgenommen und zusammengefügt. Es enthielt Zehntausende Galaxien und andere Objekte. Aufgeregtes Gemurmel lief durch die Gruppe, als man sich gegenseitig auf nie gesehene Details hinwies: aktive Sternentstehungsgebiete, leuchtende galaktische Zentren, in denen sich Schwarze Löcher befinden könnten, rötliche Lichtkleckse von Galaxien in so weiter Entfernung, dass nur Webb sie entdecken konnte. „Ein bisschen wie Kinder in einem Bonbonladen“, bemerkte Marcia Rieke.

Anders als das Hubble-Weltraumteleskop, unser bisheriges Fenster in die ferne Vergangenheit des Universums, wurde Webb für die Beobachtung im Infrarotbereich konzipiert – ideal für die Erfassung frühen Sternenlichts. Die Strahlen verließen ihre Quelle im Ultravioletten, wurden aber durch die Expansion des Universums in rötlichere Wellenlängen gedehnt, ein Phänomen, das als Rotverschiebung bekannt ist. Je höher die Rotverschiebung, desto weiter entfernt und älter ist das Zielobjekt. Rieke ist nicht nur leitende Wissenschaftlerin bei JADES, sondern auch Hauptverantwortliche für die Nahinfrarotkamera (NIRCam) des WebbTeleskops – Quelle des Galaxienmosaikbilds, das alle auf ihren Laptops sahen. Es fängt das Licht des Universums ein und analysiert es mittels verschiedener Filter.

„Diese Bilder sind genau das, was wir uns erhofft hatten“, sagte sie. Doch nicht alles an dem Teleskop funktionierte perfekt. Bei JADES’ Nahinfrarot-Spektrografen (NIRSpec) kam es zu elektrischen Kurzschlüssen, die Lichtpunkte verursachten und bei einigen Beobachtungen astronomische Ziele überstrahlten. Das Instrument zerlegt das Licht in Spektren, was Wissenschaftlern ermöglicht, die chemische Zusammensetzung einer Galaxie zu bestimmen und ihre Rotverschiebung akkurat zu messen. Die NIRCam-Aufnahmen wurden zur Abschätzung der Entfernungen zu den Galaxien herangezogen, NIRSpec war nötig, um diese zu bestätigen. Dass die Kurzschlüsse einige Beobachtungen beeinträchtigten, erwies sich jedoch als glückliche Fügung: So hatten die Astronomen ursprünglich geplant, mit NIRSpec Objekte zu untersuchen, die bereits von Hubble bekannt waren. Nun konnten sie stattdessen Galaxien ins Visier nehmen, die gerade erst von NIRCam entdeckt worden waren. „Wir sind ausgerastet, als wir diese Daten, die noch niemand gesehen hatte, nach diesen Kandidaten durchsuchten“, erzählte mir Kevin Hainline, Astrophysiker an der University of Arizona.

Das National Geographic Magazin 10/23 ist seit dem 28. September 2023 im Handel erhältlich.

Foto von National Geographic

Den ganzen Artikel über die Entdeckungen des James-Webb-Weltraumteleskops finden Sie im NATIONAL GEOGRAPHIC Magazin 10/23, zusammen mit vielen weiteren Artikeln über unseren Kosmos. Verpassen Sie keine Ausgabe mehr: Sichern Sie sich die nächsten 2 Ausgaben zum Sonderpreis! 

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