Drei Jahre sind vergangen, seit die Menschheit einen neuen, leistungsfähigeren Blick in den Weltraum erhalten hat, ein Fenster in das Infrarotreich, das bisher weitgehend vor unseren Augen verborgen war. Seit Juli 2022 beobachtet das James-Webb-Weltraumteleskop, der Nachfolger des legendären Hubble und ein beispielloses technologisches Wunderwerk, unermüdlich den Kosmos. Seine außergewöhnliche Fähigkeit, für das menschliche Auge unsichtbares Infrarotlicht zu detektieren und zu analysieren, ermöglicht es Wissenschaftlern, Szenen zu bezeugen, die bis vor kurzem nur das Ergebnis theoretischer Überlegungen waren. Webb erfüllt nicht nur die Versprechen, mit denen es gestartet wurde – es übertrifft sie in einem Maße, dass Astronomen kaum Worte finden, um die Flut neuer Daten zu beschreiben. In nur drei Jahren hat dieses Observatorium unser Verständnis von allem verändert, von den entferntesten Galaxien am Rande des sichtbaren Universums bis hin zu unserer eigenen kosmischen Nachbarschaft, dem Sonnensystem.

Mit der Mission erbaut, die Lehrbücher der Astronomie neu zu schreiben, hat Webb bereits eine wahre wissenschaftliche Revolution ausgelöst. Bis heute hat es mehr als 860 wissenschaftliche Programme erfolgreich abgeschlossen, wobei etwa ein Viertel seiner Betriebszeit der Aufnahme atemberaubender Bilder gewidmet ist und die dominierenden drei Viertel der Spektroskopie – der detaillierten Analyse des Lichts, die die chemische Zusammensetzung, Temperatur und Bewegung von Himmelsobjekten aufdeckt. Die Menge der gesammelten Daten ist monumental: Fast 550 Terabyte an Informationen haben zu mehr als 1600 veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten geführt. Jede dieser Arbeiten bringt faszinierende Ergebnisse, wirft aber auch eine Reihe neuer, noch tieferer Fragen auf. Im Folgenden präsentieren wir zehn kosmische Überraschungen, die uns Webb offenbart hat und die unseren Blick auf das Universum grundlegend verändert haben.

Revolution im Verständnis der kosmischen Dämmerung

Eines der primären wissenschaftlichen Ziele des Webb-Teleskops war es, in die „kosmische Dämmerung“ zu blicken, die Periode innerhalb der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall, als sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten. Die Erwartungen waren bescheiden – Wissenschaftler hofften, nur einige wenige blasse, unentwickelte Galaxien zu sehen, eine Art kosmischer Embryonen, die zukünftige prächtige Strukturen wie unsere Milchstraße nur andeuten würden. Aber was Webb sah, war alles andere als bescheiden. Anstelle der erwarteten, kaum erkennbaren, schwachen Galaxien entdeckte Webb überraschend helle, massive und gut strukturierte Galaxien, die bereits innerhalb der ersten 300 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten. Es fand Galaxien mit Schwarzen Löchern, die für ihr junges Alter viel zu massiv erscheinen, was eine enorme Herausforderung für bestehende Modelle des Wachstums von Schwarzen Löchern darstellt. Es wurde sogar eine Galaxie entdeckt, die der Milchstraße in ihrer Kindheit ähnelt und existierte, als das Universum nur 600 Millionen Jahre alt war. Einige dieser Entdeckungen, wie die aus dem JADES-Programm (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), zeigten, dass einige Galaxien bereits innerhalb der ersten Milliarde Jahre „erloschen“ waren und keine Sterne mehr bildeten, während sich andere innerhalb von 1,5 Milliarden Jahren zu komplexen Spiralgalaxien „großen Designs“ entwickelten, wie wir sie im heutigen Universum sehen. Obwohl Hunderte von Millionen Jahren wie eine lange Zeit erscheinen mögen, ist dies im Kontext des 13,8 Milliarden Jahre alten Universums äquivalent zu einer Entwicklung, die sich in den ersten paar Wochen eines kosmischen Jahres abspielte. Diese ersten Galaxien erzeugten blitzschnell Generationen von Sternen und bereicherten das junge Universum mit schwereren Elementen, die die Grundlage für alles sind, was wir heute kennen.

Die rätselhaften „Kleinen roten Punkte“, verstreut im tiefen Weltraum

Webbs scharfe Infrarotsicht hat eine völlig neue Klasse von Himmelsobjekten enthüllt: eine ferne Population von mysteriös kompakten, hellen und ausgeprägt roten Galaxien, die Astronomen „Kleine rote Punkte“ (Little Red Dots) getauft haben. Ihr Erscheinen wirft zahlreiche Fragen auf. Was macht sie so hell und rot? Ist ihr Licht das Ergebnis extrem dichter Haufen ungewöhnlich heller Sterne, oder vielleicht Gas, das schwindelerregend in ein supermassives Schwarzes Loch in ihrem Zentrum stürzt, oder vielleicht eine Kombination beider Phänomene? Ihre Geschichte ist ebenfalls rätselhaft. Es scheint, dass diese „Punkte“ im Universum etwa 600 Millionen Jahre nach dem Urknall, vor etwa 13,2 Milliarden Jahren, auftauchten, nur damit ihre Zahl weniger als eine Milliarde Jahre später stark zurückging. Haben sie sich zu etwas anderem entwickelt? Wenn ja, wie? Webb führt derzeit detailliertere Untersuchungen dieser Objekte durch, um Antworten auf diese faszinierenden Fragen zu geben.

Bestätigung der „Hubble-Spannung“: Pulsierende Sterne und eine dreifache Supernova

Wie schnell dehnt sich das Universum aus? Diese scheinbar einfache Frage ist eines der größten Rätsel der modernen Kosmologie, da verschiedene Methoden zur Messung der Ausdehnungsrate unterschiedliche Ergebnisse liefern. Diese Diskrepanz ist als „Hubble-Spannung“ bekannt. Es stellt sich eine entscheidende Frage: Sind diese Unterschiede nur das Ergebnis von Messfehlern oder geschieht im Universum etwas Grundlegendes, das wir noch nicht verstehen? Webbs bisherige Daten deuten stark darauf hin, dass das Problem nicht bei den Messfehlern liegt. Das Teleskop konnte dank seiner unglaublichen Auflösung pulsierende Sterne (Cepheiden) klar von benachbarten Sternen in dicht besiedelten Gebieten unterscheiden und so sicherstellen, dass die Entfernungsmessungen nicht durch zusätzliches Licht „kontaminiert“ werden. Darüber hinaus entdeckte Webb eine entfernte, durch Gravitationslinsenwirkung verstärkte Supernova, deren Bild an drei verschiedenen Orten und zu drei verschiedenen Zeiten während ihrer Explosion erscheint. Die Berechnung der Ausdehnungsrate auf der Grundlage der Helligkeit der Supernova an diesen drei Punkten bietet eine unabhängige Überprüfung der mit anderen Techniken gewonnenen Messungen. Solange die Frage der Hubble-Spannung nicht gelöst ist, wird Webb mit präzisen Messungen verschiedener Objekte fortfahren, neue Methoden erforschen und das Rätsel vertiefen.

Überraschend reiche und vielfältige Atmosphären von Gasriesen

Obwohl das Hubble-Weltraumteleskop als erstes Gase in der Atmosphäre von Exoplaneten – Planeten außerhalb unseres Sonnensystems – nachgewiesen hat, hat Webb diese Forschungen auf ein völlig neues, unvorstellbares Niveau gehoben. Seine spektroskopische Analyse hat einen reichen Cocktail von Chemikalien in den Atmosphären ferner Welten aufgedeckt, darunter Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Methan und Schwefeldioxid. Keine dieser Verbindungen wurde jemals zuvor klar in einer Atmosphäre außerhalb unseres Systems nachgewiesen. Webb hat auch die Untersuchung der exotischen Klimata von Gasriesen wie nie zuvor ermöglicht. Zum Beispiel hat es auf dem heißen, aufgeblähten Gasriesen WASP-17 b Flocken von Siliziumdioxid-(Quarz-)„Schnee“ in den Wolken nachgewiesen. Auf dem Planeten WASP-39 b hat es Temperatur- und Wolkenbedeckungsunterschiede zwischen der permanenten Morgen- und Abendseite des Planeten gemessen und damit Einblicke in die Dynamik der globalen Zirkulation auf Welten gewährt, die ihrer Sonne ewig die gleiche Seite zuwenden.

Eine felsige Lavawelt mit möglicher Atmosphäre

Die dünne Gasschicht, die einen kleinen Gesteinsplaneten umgibt, zu entdecken, geschweige denn zu analysieren, ist eine äußerst schwierige Aufgabe. Webbs außergewöhnliche Fähigkeit, subtile Helligkeitsänderungen im Infrarotlicht zu messen, macht dies jedoch möglich. Bisher konnte das Teleskop das Vorhandensein einer signifikanten Atmosphäre auf mehreren Gesteinsplaneten ausschließen. Auf dem Planeten 55 Cancri e, einer Welt, die von einem Lava-Ozean bedeckt ist und einen sonnenähnlichen Stern in 40 Lichtjahren Entfernung umkreist, hat es jedoch faszinierende Hinweise auf Kohlenmonoxid oder -dioxid gefunden. Die führende Hypothese ist, dass dieser Planet eine sekundäre Atmosphäre haben könnte, die kontinuierlich durch Gas gespeist wird, das von seiner glühenden, mit Lava bedeckten Oberfläche verdampft. Mit solchen Entdeckungen legt Webb den Grundstein für das zukünftige Habitable Worlds Observatory der NASA, die erste Mission, die speziell dafür konzipiert ist, erdähnliche Planeten um sonnenähnliche Sterne direkt abzubilden und nach Lebenszeichen zu suchen.

Die Enthüllung des knöchernen Skeletts naher Spiralgalaxien

Wir wissen seit langem, dass Galaxien kosmische Städte sind, die aus Sternen, Planeten, Staub, Gas, Dunkler Materie und Schwarzen Löchern bestehen – Orte, an denen Sterne geboren werden, leben, sterben und in die nächste Generation recycelt werden. Aber noch nie zuvor konnten wir die Struktur einer Galaxie und die Wechselwirkungen zwischen Sternen und ihrer Umgebung in so bezaubernden Details sehen. Webbs Infrarotsicht durchdringt die Staubwolken, die anderen Teleskopen den Blick versperren, und enthüllt die „knöcherne“ Struktur von Galaxien. Wir sehen Staubfilamente, die den Spiralarmen folgen, alte Sternhaufen, die die galaktischen Kerne bilden, gerade erst gebildete Sterne, die noch in dichte Kokons aus glühendem Gas und Staub gehüllt sind, und Ansammlungen heißer junger Sterne, die mit ihrer Strahlung und ihren Winden riesige Hohlräume in das umgebende Material „schnitzen“. Bilder wie das der Phantomgalaxie (M74/NGC 628) zeigen deutlich, wie Sternwinde und Supernova-Explosionen ihre galaktischen Heimaten aktiv umgestalten.

Die dünne Grenze zwischen einem Braunen Zwerg und einem umherirrenden Planeten

Braune Zwerge sind Objekte, die sich wie Sterne bilden, aber nicht massiv und heiß genug sind, um in ihren Kernen die Kernfusion von Wasserstoff zu zünden, der Prozess, der Sterne definiert. Auf der anderen Seite bilden sich „umherirrende Planeten“ wie andere Planeten innerhalb eines Systems, werden aber später daraus ausgestoßen und wandern nun ohne Heimatstern durch den Weltraum. Webb hat Hunderte von braunen zwergähnlichen Objekten in der Milchstraße beobachtet und sogar einige Kandidaten in einer benachbarten Galaxie entdeckt. Das Problem ist, dass einige dieser Objekte extrem klein sind – nur wenige Male massereicher als Jupiter – was das Verständnis ihrer Entstehung erschwert. Sind es tatsächlich frei schwebende Gasriesen? Was ist die geringste Menge an Material, die zur Bildung eines Braunen Zwergs oder eines Sterns erforderlich ist? Wir sind uns noch nicht sicher, aber dank dreijähriger Beobachtungen mit dem Webb-Teleskop wissen wir jetzt, dass es ein Kontinuum von Objekten von Planeten über Braune Zwerge bis hin zu Sternen gibt, mit unklaren Grenzen zwischen ihnen.

Können Planeten den Tod ihres Sterns überleben?

Wenn ein Stern wie unsere Sonne das Ende seines Lebens erreicht, bläht er sich zu einem Roten Riesen auf und wird groß genug, um nahegelegene Planeten zu verschlingen. Danach stößt er seine äußeren Schichten ab und hinterlässt einen superheißen Kern, der als Weißer Zwerg bekannt ist. Gibt es einen „sicheren Abstand“, in dem Planeten diesen kataklysmischen Prozess überleben können? Webb hat vielleicht die Antwort gefunden. Es hat mehrere Kandidaten für Planeten entdeckt, die Weiße Zwerge umkreisen. Wenn sich bestätigt, dass es sich tatsächlich um Planeten handelt, würde dies bedeuten, dass es möglich ist, dass Planetensysteme oder zumindest ihre äußeren Teile den Tod ihres Sterns überleben und weiterhin um die langsam abkühlende Sternenasche kreisen. Dies eröffnet faszinierende Möglichkeiten über das langfristige Schicksal von Planetensystemen.

Enceladus' Fontäne versorgt das Saturnsystem mit Wasser

Unter den eisigen „Ozeanwelten“ unseres Sonnensystems ist der Saturnmond Enceladus vielleicht der faszinierendste. Die Cassini-Mission der NASA war die erste, die Geysire aus Wasserdampf entdeckte, die von seinem Südpol ausbrechen. Erst Webb gelang es jedoch, das wahre Ausmaß dieser Fontänen aufzudecken. Beobachtungen zeigten eine riesige Wolke aus Wasserdampf, die sich über mehr als 9.600 Kilometer erstreckt, was fast dem 20-fachen der Breite von Enceladus selbst entspricht. Dieses Wasser breitet sich aus und bildet einen Torus, einen donutförmigen Ring, der den Saturn jenseits seiner bekannten sichtbaren Ringe umgibt. Während ein kleiner Teil des Wassers in diesem Torus verbleibt, wird der größte Teil im gesamten Saturnsystem verteilt und „regnet“ sogar auf den Planeten selbst herab. Webbs einzigartige Beobachtungen von Ringen, Polarlichtern, Wolken, Winden und anderen Phänomenen im Sonnensystem helfen uns, besser zu verstehen, woraus unsere kosmische Nachbarschaft besteht und wie sie sich im Laufe der Zeit verändert hat.

Einschätzung von Asteroiden, die die Erde bedrohen

Im Jahr 2024 entdeckten Astronomen einen Asteroiden, für den vorläufige Berechnungen eine gewisse Wahrscheinlichkeit eines Einschlags auf der Erde ergaben. Solche potenziell gefährlichen Asteroiden werden sofort zum Fokus intensiver Beobachtungen. Webb war mit seinen einzigartigen Fähigkeiten in der Lage, das Objekt schnell zu vermessen, das sich als so groß wie ein 15-stöckiges Gebäude herausstellte. Obwohl dieser spezielle Asteroid nicht mehr als Bedrohung angesehen wird, demonstrierte die Studie die entscheidende Rolle von Webb bei der Einschätzung von Gefahren aus dem Weltraum. Das Teleskop leistete auch entscheidende Unterstützung für die DART-Mission (Double Asteroid Redirection Test) der NASA, bei der absichtlich eine Raumsonde mit dem Asteroidensystem Didymos kollidierte, um zu beweisen, dass ein geplanter Einschlag die Bahn eines Asteroiden ablenken kann, der auf Kollisionskurs mit der Erde wäre. Sowohl Webb als auch Hubble beobachteten den Einschlag und bezeugten die Wolke aus ausgestoßenem Material. Webbs spektroskopische Analyse dieses Materials bestätigte, dass die Zusammensetzung des Asteroiden wahrscheinlich typisch für diejenigen ist, die eine Bedrohung für die Erde darstellen könnten, und lieferte entscheidende Daten für zukünftige Missionen zur planetaren Verteidigung.

In nur drei Betriebsjahren hat Webb unseren Blick auf das ferne Universum geschärft und unerwartet helle und zahlreiche frühe Galaxien aufgedeckt. Es hat neue Sterne in ihren staubigen Wiegen, die Überreste explodierter Sterne und die Skelette ganzer Galaxien enthüllt. Es hat das Wetter auf Gasriesen untersucht und nach Atmosphären auf Gesteinswelten gesucht. Es hat neue Einblicke in die Bewohner unseres eigenen Sonnensystems geliefert. Aber das ist erst der Anfang. Ingenieure schätzen, dass Webb genug Treibstoff hat, um die Beobachtungen noch mindestens 20 Jahre fortzusetzen, was uns die Möglichkeit gibt, weitere Fragen zu beantworten, neue Rätsel zu erforschen und noch mehr Teile des kosmischen Puzzles zusammenzusetzen. Die Nachfrage nach Beobachtungszeit auf Webb ist größer als je zuvor und übertrifft jedes andere Teleskop in der Geschichte, sei es auf der Erde oder im Weltraum. Welche neuen Entdeckungen erwarten uns noch?

Der Originalartikel wurde auf dem Portal NASA science.nasa.gov veröffentlicht.
Quelle: 3 Years of Science: 10 Cosmic Surprises from NASA’s Webb Telescope
Autor: Dr. Macarena Garcia Marin und Margaret W. Carruthers, Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland