Wann entstanden die ersten Sterne und Galaxien? Und wie sind sie aufgewachsen? Bisher kennen Astronomen nur wenige Objekte, die mehr als 13 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Dazu gehören viele ungewöhnlich massereiche Quasare, deren aktive Schwarze Löcher so intensive Strahlung abgeben, dass sie über große Entfernungen gesehen werden können. Die älteste jemals entdeckte Galaxie ist 13,4 Milliarden Lichtjahre entfernt und damit 400 Millionen Jahre nach dem Urknall. Die Ära der neu entdeckten Galaxie HD1 im Kontext der kosmischen Geschichte. © Harikane et al., NASA, EST und P. Oesch / Yale
330 Millionen Jahre nach dem Urknall
Aber jetzt gibt es einen neuen Rekordhalter: Astronomen um Fabio Pacucci vom Harvard & Smithsonia Astrophysics Center haben eine Kandidatengalaxie in 13,5 Milliarden Lichtjahren Entfernung gefunden. Diese Galaxie mit dem Namen HD1 existierte 330 Millionen Jahre nach dem Urknall – und ist damit deutlich älter als jedes andere bisher bekannte astronomische Objekt der Welt. HD1 wurde mit mehreren Teleskopen entdeckt, darunter das Spitzer-Weltraumteleskop, das Subaru-Teleskop auf Hawaii und das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA)-Array in Chile. „Es war harte Arbeit, HD1 unter mehr als 700.000 Objekten zu finden“, sagt Co-Autor Yuichi Harikane von der Universität Tokio. „Die Verschiebung von HD1 zu Rot passte jedoch überraschend gut zu den erwarteten Eigenschaften einer etwa 13,5 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie.“
Cottage der ersten Generation von Stars?
Überraschend ist jedoch, dass dieses Objekt aus den Anfängen des Universums ungewöhnlich viel ultraviolettes Licht aussendet. „Offensichtlich finden darin einige sehr energiereiche Prozesse statt, oder besser gesagt, sie fanden vor 13,5 Milliarden Jahren statt“, sagt Pacucci. Aber welcher? Eine Möglichkeit wäre eine hochaktive Sternentstehung, wie sie für sogenannte Star-Burst-Galaxien typisch ist. Doch als die Forscher ausrechneten, wie hoch die Sternentstehungsrate aufgrund von Strahlung sein soll, kamen sie auf unglaublich hohe Werte: „HD1 soll mehr als 100 Sterne pro Jahr produzieren, das ist mindestens zehnmal mehr, als man so erwarten würde eine Galaxie”, erklärt Pacucci. Dies wäre jedoch anders, wenn sich in der fernen Galaxie Sterne der ersten Generation, die sogenannten Population-III-Sterne, bilden würden. „Diese Sterne waren voluminöser, heller und heißer als moderne Sterne“, erklärt Pacucci. „Da die Sterne der Population III mehr ultraviolettes Licht produzieren, könnte dies die extreme ultraviolette Helligkeit von HD1 erklären.“ Sollte dies bestätigt werden, wäre dies auch der erste direkte Beweis für diese erste Generation von Sternen.
Oder ist es ein früher Quasar?
Aber es gibt noch eine andere Möglichkeit: Das helle UV-Licht von HD1 könnte von einem aktiven Schwarzen Loch im Zentrum dieser frühen Galaxie stammen. Wenn ein solch übergroßes Schwarzes Loch Materie in Form von Gas und Staub aufnimmt und verschlingt, setzt es große Mengen an Energiestrahlung frei. Wenn das der Fall wäre, wäre HD1 auch der am weitesten entfernte und älteste jemals gesehene Quasar. „HD1 bricht den Rekord für die höchste Rotverschiebung in einem Quasar um fast zwei – das ist bemerkenswert“, sagt Pacuccis Kollege Avi Loeb. Der bisher älteste bekannte Quasar, J0313-1806, ist 350 Millionen Jahre jünger als HD1. Allerdings: HD1-Strahlung weist darauf hin, dass ein aktives Schwarzes Loch in dieser Galaxie etwa 120 Millionen Sonnenmassen wiegen müsste. „Sie muss sich also mit einer beispiellosen Geschwindigkeit aus einem riesigen Vorfahren entwickelt haben“, sagt Loeb.
Eine Kombination aus beidem?
Beide Szenarien sind laut Astronomen denkbar, aber astrophysikalisch schwer nachvollziehbar. Sie vermuten, dass die ungewöhnlich starke Strahlung von HD1 auf eine Kombination aus beidem zurückzuführen ist: einem aktiven Schwarzen Loch im Zentrum dieser frühen Galaxie und einer sehr starken Sternentstehung. „Der Beitrag der Sternentstehung würde die notwendige Masse des Schwarzen Lochs reduzieren und daher weniger extreme Wachstumsbedingungen erfordern, um in so kurzer Zeit nach dem Urknall so massiv zu werden“, erklärt das Team. Die Natur des neuen Rekordhalters in der frühen Welt könnte bald durch das neue James-Webb-Teleskop enthüllt werden. Denn die extrem empfindliche Infrarotoptik dieses Weltraumteleskops ist speziell darauf ausgelegt, in die Zeit der ersten Galaxien zurückzublicken. Die Untersuchung von HD1 und möglicherweise anderen ähnlichen Objekten mit diesem Teleskop könnte dazu beitragen, einige kritische Fragen zur frühen Geschichte des Universums und zur Entwicklung der ersten Schwarzen Löcher und Galaxien zu klären. (Astrophysical Journal, 2022; Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society Letters, 2022) Quelle: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics 7. April 2022 – Nadja Podbregar
