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Ältestes Objekt des Kosmos erspäht

Ferne Galaxie existierte schon 330 Millionen Jahre nach dem Urknall

Galaxie HD1
Dieser unscheinbare rote Lichtpunkt ist die älteste je beobachtete Galaxie – sie existierte bereits 330 Millionen Jahre nach dem Urknall. © Harikane et al.

Neuer Rekordhalter: Astronomen haben das fernste je beobachtete astronomische Objekt aufgespürt – eine Galaxie in rund 13,5 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Sie existierte demnach schon rund 300 Millionen Jahre nach dem Urknall. Umso ungewöhnlicher ist die starke UV-Strahlung dieses Objekts, das entweder von einer extrem hohen Sternbildungsrate oder aber von einem aktiven supermassereichen Schwarzen Loch stammt. Bestätigt sich letzteres, dann wäre dies auch der fernste je entdeckte Quasar.

Wann bildeten sich die ersten Sterne und Galaxien? Und wie wuchsen sie heran? Bisher kennen Astronomen nur wenige Objekte, die mehr als 13 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt liegen. Zu diesen gehören mehrere ungewöhnlich massereiche Quasare, deren aktive Schwarze Löcher so intensive Strahlung aussenden, dass sie über große Entfernungen sichtbar sind. Die 2016 entdeckte bisher älteste Galaxie liegt 13,4 Milliarden Lichtjahre entfernt und existierte demnach schon 400 Millionen Jahre nach dem Urknall.

KOsmosgeschichte
Alter der jetzt entdeckten Galaxie HD1 im Kontext der kosmischen Geschichte. © Harikane et al., NASA, EST und P. Oesch/ Yale

330 Millionen Jahre nach dem Urknall

Doch jetzt gibt es einen neuen Rekordhalter: Astronomen um Fabio Pacucci vom Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics haben einen Galaxienkandidaten aufgespürt, der sogar 13,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt liegt. Diese HD1 getaufte Galaxie existierte demnach schon 330 Millionen Jahre nach dem Urknall – und ist damit deutlich älter als jedes andere bisher bekannte astronomische Objekt im Kosmos.

Die Entdeckung von HD1 gelang mithilfe mehrerer Teleskope, darunter dem Spitzer-Weltraumteleskop, dem Subaru-Teleskop auf Hawaii und dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile. „Es war harte Arbeit, HD1 inmitten von mehr als 700.000 Objekten aufzuspüren“, berichtet Koautor Yuichi Harikane von der Universität Tokio. „Die Rotverschiebung von HD1 passte aber überraschend gut zu den erwarten Merkmalen einer rund 13,5 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie.“

Wiege der allerersten Sternengeneration?

Ebenso überraschend: Dieses Objekt aus der Frühzeit des Kosmos setzt ungewöhnlich viel UV-Licht frei. „Offenbar spielen sich in ihr einige sehr energiereiche Prozesse ab oder besser gesagt, sie taten dies vor 13,5 Milliarden Jahren“, sagt Pacucci. Aber welche? Eine Möglichkeit wäre eine besonders aktive Sternbildung, wie sie für sogenannte Starburst-Galaxien typisch ist.

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Doch als die Forschenden auf Basis der Strahlung errechneten, wie hoch die Sternbildungsrate sein müsste, kamen sie auf unwahrscheinlich hohe Werte: „HD1 müsste mehr als 100 Sterne pro Jahr erzeugen, das ist mindestens zehnmal mehr als man für eine solche Galaxie erwarten würde“, erklärt Pacucci. Anders wäre dies allerdings, wenn in der fernen Galaxie Sterne der allerersten Generation entstehen würden, sogenannte Population-III-Sterne.

„Diese Sterne waren massereicher, leuchtstärker und heißer als moderne Sterne“, erklärt Pacucci. „Weil die Population-III-Sternen mehr UV-Licht produzieren, könnte dies die extreme UV-Helligkeit von HD1 erklären.“ Sollte sich dies bestätigen, dann wäre es gleichzeitig der erste direkte Nachweis dieser ersten Sternengeneration.

Oder doch ein früher Quasar?

Es gibt aber noch eine andere Möglichkeit: Das intensive UV-Licht von HD1 könnte von einem aktiven Schwarzen Loch im Zentrum dieser frühen Galaxie stammen. Wenn ein solches supermassereiches Schwarzes Loch Materie in Form von Gas und Staub ansaugt und verschlingt, setzt es große Mengen energiereicher Strahlung frei. Sollte das der Fall sein, wäre HD1 auch der bisher fernste und älteste je beobachtete Quasar.

„HD1 bricht den Rekord für die höchste Rotverschiebung bei einem Quasar fast um den Faktor zwei – das ist bemerkenswert“, sagt Pacuccis Kollege Avi Loeb. Der bisher älteste bekannte Quasar J0313-1806 ist 350 Millionen Jahre jünger als HD1. Allerdings: Aus der Strahlung von HD1 geht hervor, dass ein aktives Schwarzes Loch in dieser Galaxie rund 120 Millionen Sonnenmassen schwer sein müsste. „Es müsste daher in beispiellosem Tempo aus einem massereichen Vorgänger herangewachsen sein“, sagt Loeb.

Eine Kombination von beiden?

Nach Ansicht der Astronomen sind beide Szenarien zwar denkbar, aber astrophysikalisch schwer nachzuvollziehen. Sie vermuten daher, dass die ungewöhnlich starke Strahlung von HD1 auf eine Kombination von beiden zurückgeht: ein aktives Schwarzes Loch im Zentrum dieser frühen Galaxie und eine sehr starke Sternbildung. „Der Beitrag der Sternbildung würde die nötige Mase des Schwarzen Lochs verringern und bräuchte daher weniger extreme Wachstumsbedingungen, um in so kurzer Zeit nach dem Urknall so schwer zu werden“, erklärt das Team.

Welcher Natur der neue Rekordhalter im frühen Kosmos ist, könnte schon bald das neue James-Webb-Teleskop zeigen. Denn die hochsensiblen Infrarot-Optiken dieses Weltraumteleskops sind speziell darauf ausgelegt, in die Ära der ersten Galaxien zurückzuschauen. Die Untersuchung von HD1 und möglicherweise weiteren, ähnlich alten Objekten mit diesem Teleskop könnte einige entscheidende Fragen zur Frühzeit des Kosmos und dem Heranwachsen der ersten Schwarzen Löcher und Galaxien klären helfen. (Astrophysical Journal, 2022; Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, 2022)

Quelle: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

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