James Webb-Weltraumteleskop schreibt neu, was wir über das Universum zu wissen glaubten

Was ist das JWST und wie unterscheidet es sich vom Hubble-Weltraumteleskop?

Mit dem Start des James Webb Teleskops (JWST) am 25. Dezember 2021 stellen sich ernsthafte Fragen zum Standardmodell. Diese Fragestellungen könnten zu einer Überarbeitung, wenn nicht gar zu einer kompletten Neuschreibung des Modells führen.

Für Einsteiger: Das James Webb Teleskop ist das größte und leistungsfähigste Weltraumteleskop aller Zeiten. Mit Kosten von über 10 Milliarden Dollar und einer Bauzeit von fast 20 Jahren übertrifft es das Hubble-Teleskop bei weitem. Der Hauptspiegel des JWST ist mit einem Durchmesser von 6,5 Metern deutlich größer als der 2,4-Meter-Spiegel des Hubble-Teleskops und bietet damit die sechsfache Kapazität, um Licht einzufangen.

Während Hubble in der Lage ist, einen Teil des Infrarotlichts zu erfassen, wurde es hauptsächlich für die Beobachtung von sichtbarem und ultraviolettem Licht gebaut. Die Infrarotfähigkeiten des JWST sind entscheidend, da sie den Blick durch kosmische Staubwolken ermöglichen und einen tieferen Blick in die Vergangenheit erlauben.

Durch die Expansion des Universums wurde das Licht der ersten Sterne und Galaxien vom sichtbaren Licht in den ultravioletten und schließlich in den infraroten Bereich verschoben, bis es uns erreichte. Während Hubble dank des Gravitationslinseneffekts bereits 13,4 Milliarden Jahre zurückblicken konnte, löst das JWST die Bilder dieser Galaxien schärfer auf und ermöglicht den Blick über die von der NASA als "toddler galaxies" (Baby-Galaxien) bezeichneten Objekte hinaus. So konnte das JWST bisher die Entstehung einer Galaxie nur 320 Millionen Jahre nach dem Urknall nachweisen.

Was sind die bedeutendsten und herausforderndsten Ergebnisse des Webb Teleskops bisher?

Das JWST hat Galaxien entdeckt, die nach der heutigen Zeitskala des Universums von 13,7 Milliarden Jahren zwischen 500 Millionen und 700 Millionen Jahre alt sein müssten. Das ist an sich keine Überraschung. Überraschend ist jedoch die Größe dieser Galaxien, von denen viele mit unserer Milchstraße vergleichbar sind. Vor den JWST-Beobachtungen hielt man die Existenz solch großer Galaxien zu einem so frühen Zeitpunkt in der Geschichte des Universums für unmöglich.

Die Wissenschaftler erwarteten für diese Zeit eher kleinere Galaxien. Diese massereichen, früh entstandenen Galaxien werden als "universe breakers" bezeichnet, da sie nicht existieren dürften, wenn das Universum tatsächlich erst 13,7 Milliarden Jahre alt wäre. Eine dieser alten Galaxien mit dem Namen ZF-UDS-7329 ist größer als die Milchstraße, aber erst 800 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden. Bis zu ihrer Entdeckung glaubte man, dass Galaxien dieser Größe erst entstehen konnten, nachdem sich die Dunkle Materie im Universum verteilt hatte.

Ihre Existenz stellt sowohl das Alter des Universums als auch die bisher angenommenen Bedingungen für die Entstehung solch gigantischer Galaxien in Frage. Das JWST entdeckte auch bisher unbekannte Strukturen im Zentrum unserer eigenen Milchstraße, etwa 25.000 Lichtjahre entfernt. Dazu gehören eine blaue Wolke aus ionisiertem Wasserstoff, die ein riesiges Gebiet im Schützen C bedeckt, und "nadelartige" Strukturen, die chaotisch in verschiedene Richtungen zeigen.

Ein zentrales Element des Standardmodells der Kosmologie ist die Hubble-Konstante. Sie ist nach Edwin Hubble (wie das Teleskop) benannt, der als Erster beobachtete, dass sich das Universum mit einer Rate ausdehnt, die proportional und konstant mit der Entfernung eines Objekts von der Erde zunimmt. Die Beobachtungen mit dem Hubble-Teleskop führten zur so genannten Hubble-Spannung.

Verschiedene Methoden zur Messung der Ausdehnungsrate des Universums führten zu unterschiedlichen Ergebnissen. Das JWST hat nun bestätigt, dass diese Abweichungen tatsächlich korrekt sind und dass sich das Universum nicht mit einer konstanten Rate ausdehnt. Stattdessen scheint die Expansionsrate je nach Beobachtungsrichtung zu variieren. Dieser Befund widerspricht dem bisherigen Verständnis der Expansion des Universums, wenn der Urknall tatsächlich der zentrale Punkt seiner Entstehung und der anschließenden Inflation gewesen sein sollte.

Das JWST entdeckte auch viel mehr riesige Schwarze Löcher im frühen Universum als erwartet. Auch dies ist eine völlig unerwartete Entdeckung. Normalerweise entstehen supermassive Schwarze Löcher über viele Millionen Jahre durch die Akkretion von Gas. Die neu entdeckten Schwarzen Löcher scheinen sich jedoch viel schneller gebildet zu haben, als bisher für möglich gehalten wurde.

Diese Entdeckung wirft Fragen auf: Wuchsen sie viel schneller als bisher angenommen, oder wurden sie bereits als massereiche Objekte geboren? So oder so werden die Ergebnisse des JWST die Lehrbücher neu schreiben - entweder in Bezug auf die Entstehung und das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher oder in Bezug auf das Alter des Universums, das viel älter sein könnte als bisher angenommen.

Was bedeutet dies für das Standardmodell der Kosmologie?

Ein Wissenschaftler der Universität Ottawa, Dr. Rajendra Gupta, behauptet, dass seine neuesten Berechnungen darauf hindeuten, dass das Universum nicht 13,7 Milliarden Jahre alt ist, sondern 26,7 Milliarden Jahre. Seiner Ansicht nach muss das Standardmodell der Kosmologie, das die Rotverschiebung zur Bestimmung des Alters des Universums verwendet, auch die so genannte Theorie der "Lichtermüdung" berücksichtigen.

Diese besagt, dass die Rotverschiebung nicht nur auf die Entfernung eines Objekts von der Erde zurückzuführen ist, sondern auch darauf, dass die Energie der Lichtteilchen mit der Zeit abnimmt. Dies könnte erklären, warum ein Stern wie Methusalem, der derzeit als der älteste jemals beobachtete Stern gilt, mit seinen geschätzten 14,3 Milliarden Jahren älter zu sein scheint als das derzeit angenommene Alter des Universums.

Guptas Ansichten werden jedoch von der wissenschaftlichen Gemeinschaft noch nicht geteilt. Das JWST ist erst seit Mitte 2022 in Betrieb, und es müssen noch viele Daten gesammelt, ausgewertet und mit theoretischen Modellen verglichen werden. Es gibt sogar noch radikalere Theorien als die von Gupta. Manche leugnen den Urknall als Ursprung des Universums gänzlich, andere Theorien gehen von einem ewig existierenden Universum aus.

Eines ist nach dem Start des JWST jedoch sicher: Das Standardmodell der Kosmologie wird zumindest überarbeitet werden müssen. Ob es ganz umgeschrieben und durch eine völlig neue Erklärung für die Entstehung und das Alter des Universums ersetzt werden muss, wird die Zukunft zeigen.