Kosmologie im Härtetest

Doch mit vagen Vermutungen ist es nicht getan. Einem bewährten erkenntnistheoretischen Slogan zufolge erfordern außerordentliche Behauptungen außerordentliche Indizien. Zudem leben Totgesagte bekanntlich länger.

Dennoch: „Die hohen Massen der frühen Galaxien liegen an der Grenze dessen, was mit dem kosmologischen Standardmodell noch vereinbar ist“, resümierte Michael Boylan-Kolchin von der University of Texas in Austin in einer ersten Analyse im August 2022, die in revidierter Form in der Juni-Ausgabe 2023 der Fachzeitschrift nature astronomy erschienen ist. „Hier gibt es ein ungelöstes Problem. Die Sternbildung muss unglaublich effizient verlaufen sein, wie es im näheren Universum nirgends beobachtet wird. Das ist eine ernste Herausforderung.“

Standhaftes Standardmodell?

Das Standardmodell der Kosmologie, ΛCDM-Modell genannt, hat sich um die Jahrtausendwende etabliert und seither gut bewährt, auch wenn es wichtige Fragen offenlässt. Das beginnt bereits mit seinen beiden Hauptingredienzen, die 95 Prozent der Energiedichte des Alls ausmachen sollen: die Kalte Dunkle Materie (CDM), vermutlich bislang unbekannte Elementarteilchen, die nicht elektromagnetisch wechselwirken und somit auch keine Strahlung aussenden; und die noch rätselhaftere Dunkle Energie, für die die einfachste Erklärung ein positiver Wert der Kosmologischen Konstante Λ wäre, die Albert Einstein 1917 in die Allgemeine Relativitätstheorie eingeführt hatte.

Das Standardmodell kann eine Reihe von ganz unterschiedlichen Beobachtungsdaten erstaunlich präzise und mit nur wenigen Parametern beschreiben beziehungsweise erklären: die innere Dynamik der Galaxien, die Bewegung von Galaxien relativ zueinander sowie in Gruppen und Haufen, schwache und starke Gravitationslinseneffekte auf vielen Größenskalen, die Struktur und Entwicklung des kosmischen Netzwerks aus Superhaufen von Galaxien, umgeben von gewaltigen Leerräumen, und schließlich die vielen gemessenen Eigenschaften der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Das ΛCDM-Modell sagt auch voraus, dass die Galaxien umso kompakter, blauer, weniger entwickelt, reicher an Gas und hellen, massereichen Sternen sowie ärmer an schwereren Elementen und dichter beisammen sind, je größer ihre Distanz und je geringer somit ihr Alter ist (immer vom Urknall aus gerechnet). Könnten wir bis zum Dunklen Zeitalter des Universums zurückblicken, wären überhaupt keine Sterne und Galaxien mehr sichtbar.

So weit, so gut. An dieser qualitativen Beschreibung hat sich auch nichts geändert. Strittig ist, ob das ΛCDM-Modell quantitativ bestehen kann (und ob Λ und CDM nicht etwa eine Illusion sind … aber das ist eine andere Diskussion.) Das Grundproblem lautet jetzt: Entweder müssen sich die Urgalaxien schneller gebildet haben als angenommen oder sie hatten mehr Zeit.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die unerwartete Fülle beziehungsweise Leuchtkraft dieser fernen Galaxien zu erklären: Messfehler oder Auswahleffekt, irreführende Vordergrundgalaxien oder hochaktive Schwarze Löcher, eine rasante Sternentstehung oder womöglich sogar eine neue Physik. Nichts davon würde allerdings die Urknall-Theorie widerlegen, die einen anderen Gegenstandsbereich hat und eine noch viel frühere Zeit betrifft. Freilich könnte das kosmologische Standardmodell in eine gewaltige Krise geraten, und das astronomische Unwissen wäre dann unermesslich größer.

Ausreißer und Vordrängler?

Sind die hellen Urgalaxien statistische, für sich genommen nicht weiter problematische Ausreißer? Dagegen spricht die hohe Zahl der Kandidaten, die das JWST schon innerhalb weniger Tage aufgespürt hat. Kontrovers diskutiert wird, wie repräsentativ die bisherige Datensammlung ist. Ein Auswahleffekt könnte hier bestehen, oder das JWST ist noch empfindlicher als angenommen beziehungsweise die Kalibrierung der gemessenen Helligkeiten erfolgte bislang unzulänglich.

Solche Bedenken sind berechtigt – vor allem, wenn ein neues Instrument zum Einsatz kommt. Aber die Daten haben sich bisher als robust erwiesen, und die Statistik scheint sich nicht drastisch zu ändern.

Sicherlich werden mehr Fotos und Messungen solche Unsicherheiten bald reduzieren: größere, tiefere Durchmusterungen und vor allem Nahinfrarotspektren. Letztere werden dringend benötigt, da die zwar einfachen, aber ungenauen photometrischen Abschätzungen der Rotverschiebungen nicht hinreichend zuverlässig sind.

So argumentierten Stephen Serjeant und Tom J. L. C. Bakx von der Open University im britischen Milton Keynes in nature astronomy vom Oktober 2023, dass über 99 Prozent aller photometrisch gemessenen z-Werte und mithin Entfernungen zu hoch ausfallen – ein Effekt, den der britische Astronom Arthur Eddington bei Sternen schon 1913 bemerkt hatte. „Objects in JWST’s mirrors are closer than they appear”, lautet die Überschrift ihres Artikels in Anspielung auf den weit verbreiteten Warnhinweis, der im Rückspiegel vieler Autos in Amerika und Asien eingraviert ist.

Oder foppt die Natur die Astronomen? Eine Urgalaxie kann heller erscheinen, als sie in Wirklichkeit ist, wenn sich zwischen ihr und uns zufällig noch eine andere, unbemerkte Galaxie befindet. Erste Studien zeigten, dass es solche Vordrängler bei genauerem Hinsehen tatsächlich gibt – allerdings nur sehr selten, sagt Hakim Atek von der Sorbonne in Paris.

Mehr Licht durch Schwarze Löcher?

Vielleicht stammt die überraschende Leuchtkraft der Urgalaxien aber gar nicht allein von ihren Sternen. Tatsächlich gibt es viele Aktive Galaxien – früher signifikant mehr als heute. Ihre AGN (active galactic nuclei) genannten Zentren übertreffen die Helligkeit der jeweiligen Galaxie um ein 10- bis 1.000-Faches. Die enorme Menge an Strahlung entsteht, weil Materie in ein supermassereiches Schwarzes Loch stürzt. Das ist auch die Erklärung für die große Helligkeit der Quasare und Blazare, die nichts anderes als solche hochaktiven Galaxienzentren sind.

Allerdings sprechen die Spektraleigenschaften der vom JWST beobachteten Urgalaxien nicht für AGN – zumindest nicht als einzige Erklärung. Zudem werfen die supermassereichen Schwarzen Löcher ein weiteres Problem auf: Wie konnten sie sich überhaupt so schnell bilden?

Denn auch das Heranwachsen eines viele Millionen oder sogar Milliarden Sonnenmassen schweren Schwarzen Lochs erfordert Zeit. Zudem gibt es nicht beliebig viel Materie in seinem Einzugsbereich, und es kann auch nicht beliebig viel Masse pro Zeiteinheit verschlingen. Es ist jedoch denkbar, dass supermassereiche Schwarze Löcher bereits mit oder sogar vor dem Urknall entstanden sind – und womöglich heute die Dunkle Materie im All bilden, ohne dass dafür exotische Elementarteilchen erforderlich wären (bdw 11/2016, „Schwarze Löcher aus dem Urknall“).

Überdies beeinflussen Schwarze Löcher die Sternbildungsrate in ganzen Galaxien. Meistens wird diese freilich reduziert. Und zumindest für ein, zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall hat das JWST dafür auch bereits Indizien gefunden.

Neue Physik nötig?

Eine schnellere Sternbildung ist ferner denkbar, wenn die Dichteschwankungen im fast gleichförmigen Urgas nach dem Urknall irgendwie rascher angewachsen oder größer gewesen wären, als es die bekannte Physik und das Standardmodell voraussagen. Das lässt sich zwar leicht postulieren, aber nur schwer mit den Messdaten vereinbaren – besonders denen zur Kosmischen Hintergrundstrahlung und zur großräumigen Verteilung der Galaxienhaufen heute.

Vielleicht hat sich die Dunkle Materie anders verhalten als gedacht? Ihre Dichtefluktuationen waren 400.000 Jahre nach dem Urknall rund zehnmal so groß wie die der normalen Materie und dienten dem ΛCDM-Modell zufolge als Keime für die sichtbare Strukturbildung – von den Sternen bis zu den Galaxiensuperhaufen. Ein anderes Fluktuationsspektrum könnte die Schwierigkeit lösen, wie beispielsweise Hamsa Padmanabhan von der Universität Genf und Abraham Loeb von der Harvard University vorgerechnet haben. Doch womöglich würde dies das Problem dann doch nur verlagern: in die Zeit des Urknalls selbst.

Mehr Zeit für die Sternbildung hätten die Urgalaxien hingegen gehabt, wenn das ΛCDM-Modell ergänzt oder verändert wird – eine in der Theorie sehr kostspielige Möglichkeit, weil sie auf die eine oder andere Weise neue physikalische Effekte oder Entitäten erfordert. Zum Beispiel könnte hinter der ominösen Dunklen Energie nicht Λ stecken, sondern ein unbekanntes dynamisches Feld, sodass die frühe Expansionsgeschichte anders verlief. Oder es gibt eine zusätzliche Early Dark Energy, die das Alter des Weltalls erhöht, sich aber längst in Strahlung aufgelöst hat.

Sunny Vagnozzi von der Universität Trento in Italien postuliert zusammen mit drei Kollegen aus Indien sogar eine negative (!) Kosmologische Konstante Λ, die zusammen mit einer sehr hohen positiven Energiedichte einer hypothetischen dynamischen Dunklen Energie das Weltalter erhöht und damit mehr Zeit für die Galaxienentstehung lässt. „Das negative Λ wirkt der beschleunigten Ausdehnung durch die Dunkle Energie entgegen und steht nicht im Widerspruch zu den kosmologischen Messungen“, schreiben die Physiker. Freilich ist das Modell quasi maß- oder vielmehr einfach zurechtgeschneidert und ohne tieferes theoretisches Fundament.

Noch radikaler sind Überlegungen, die die bekannten Naturgesetze infrage stellen. Einen Vorschlag hat Rajendra P. Gupta von der University of Ottawa in Kanada in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht. Er postuliert zusätzlich zum ΛCDM-Modell eine „Ermüdung“ des Lichts, also eine Rötung im Lauf der Zeit. (Ähnliches hatte der Astronom Fritz Zwicky bereits 1929 vorgeschlagen, um die Rotverschiebung der Galaxien ohne eine Ausdehnung des Weltraums zu erklären, doch Gupta bezweifelt die kosmische Expansion nicht). Zusätzlich könnten sich Naturkonstanten ändern, etwa die Lichtgeschwindigkeit oder die Gravitationskonstante. Gupta hat berechnet, wie bei solchen kühnen Annahmen das Weltalter signifikant höher wäre: Für Rotverschiebungen von 5, 10 und 20 entspräche dies dem Faktor 2,97, 3,56 und 4,16 mit Lichtermüdung allein und Dunkler Materie beziehungsweise 7,76, 12,3 und 19,3 für Lichtermüdung plus variierende „Konstanten“. Damit hätte das Universum ein paar Milliarden Jahre mehr Zeit für die Galaxienbildung gehabt und wäre doch vereinbar mit anderen Beobachtungsdaten heute.

Das Werk der Gravitation

Bevor man bei radikalen und entlegenen Spekulationen Zuflucht sucht, müssen erst profanere Erklärungsversuche ausgelotet werden. Eine effiziente Sternbildung überall und quasi gleichzeitig in jungen Galaxien wäre sicherlich weniger spektakulär – aber an sich plausibel und optisch ebenso imposant.

Alle Strukturen im All – von den Sternen und Sternhaufen über Galaxien, Galaxiengruppen und -haufen bis hin zu den heute Hunderte von Lichtjahren großen Superhaufen von Galaxien – stammen letztlich von winzigen Dichteschwankungen im primordialen Urgas aus Wasserstoff und Helium, das aus dem Urknall hervorgegangen ist. Diese Dichtefluktuationen unterschieden sich in ihrer stärksten und schwächsten Ausprägung höchstens um 1 zu 30.000. Die dichteren Regionen waren die Saat, aus der die Gravitation die Strukturen formte.

Die Auswirkungen der Schwerkraft sind zunächst leicht zu berechnen. Aber dann treten Effekte auf, die es schwierig machen vorherzusagen, wie schnell und wie stark die Strukturen gewachsen sind. Hier kommen viele Annahmen ins Spiel, deren Stärke und Wechselwirkung quantitativ schwer abzuschätzen sind: die effiziente Kühlung großer Gasmengen in dichten Regionen; ihre Interaktion mit der Umgebung; die Wärmeabstrahlung der sich beim Kollaps erhitzenden Wolken; die Rückwirkung auf die nachfallende Materie; der Einfluss der Dunklen Materie; die Größe, Temperatur und Lebensdauer der ersten Sterne sowie deren Effekte auf die Umgebung, die nachfolgende Sterngeneration und die Galaxienentwicklung insgesamt.

Schnelle Sternbildung und Starbursts

„Unsere Vorstellung darüber, wie die Sterne in der Frühzeit des Universums entstanden sind, muss vielleicht ein wenig revidiert werden“, überlegt Steven Finkelstein von der University of Texas in Austin. „Es ist möglich, dass Galaxien damals effizienter Sterne gebildet haben, als wir dachten. Vielleicht produzierten sie einfach mehr Sterne, weshalb diese Galaxien dann heller und somit auch leichter zu entdecken sind.“

Dafür hat Joe M. McCaffrey von der Maynooth University in Irland mit seinem Team nun theoretische Indizien gefunden: Die Resultate neuer Computersimulationen, die sowohl räumlich als auch in der Masseverteilung signifikant höhere Auflösungen haben als vorige, sind „im Allgemeinen konsistent“ und stehen zum Teil sogar „in exzellenter Übereinstimmung“ mit dem ΛCDM-Modell, berichten die Wissenschaftler. Demnach lässt sich entgegen anfänglicher Befürchtungen die Existenz der Galaxien mit dem kosmologischen Standardmodell vereinbaren, falls sie schnell aus den winzigen Dichteschwankungen im Urgas heranwuchsen und rasant viele leuchtkräftige Sterne formten.

Geschah das im selben Zeitraum überall in einer jungen Galaxie, war sie vorübergehend heller als zu anderen Zeiten. Solche Starburst-Phasen gibt es auch heute noch – allerdings selten, meistens eng begrenzt und oft infolge galaktischer Wechselwirkungen. Im frühen Universum müssen Starbursts häufig gewesen sein.

Ein Team um Guochao Sun und Claude-André Faucher-Giguère von der Northwestern University in Evanston, Illinois, zeigte nun mithilfe robuster Computersimulationen ohne spezielle Feinabstimmungen, dass Starbursts die Helligkeit, Häufigkeit und Ultravioletteigenschaften der vom JWST beobachteten Urgalaxien erstaunlich gut reproduzieren können. „Die simulierte Entwicklung reicht, anders als frühere Rechnungen, bis in die Gegenwart und führt zu halbwegs realistischen Galaxieneigenschaften“, schreiben die Forscher in den Astrophysical Journal Letters vom Oktober 2023. Ihr FIRE-Code (Feedback In Realistic Environments) entstand noch vor dem Start des Webb-Teleskops und wurde nicht an dessen Befunde angepasst. „Die Systeme müssen gar nicht so massereich gewesen sein“, meint Sun. „Wenn die Sternbildung in Bursts erfolgt, wird schnell viel Licht freigesetzt. Deshalb sehen wir einige so helle Galaxien.“

Ein echtes Problem gäbe es nur, wenn künftige Messungen des Webb-Teleskops beweisen würden, dass die Urgalaxien mehr leuchtende Masse besitzen, als sie dem ΛCDM-Modell zufolge haben dürfen. Denn die Obergrenze der Gesamtmasse beziehungsweise Gesamtenergiedichte des Alls ist recht genau bekannt.

Freilich steht außer Frage, dass die Hypothesen streng überprüft werden müssen – und hoffentlich bald auch können. Überdies wird das Webb-Teleskop für weitere überraschende Entdeckungen sorgen. Der Vorstoß in die Frühlingszeit des Universums mit seinem unermesslichen Sternenhimmel hat erst begonnen.

Am Ende seines Vortrags „Von den Quellen unseres Wissens und unserer Unwissenheit“ vor der Britischen Akademie 1960 in London sagte Karl Popper: „Es dürfte uns gut tun, uns manchmal daran zu erinnern, dass wir zwar in dem Wenigen, das wir wissen, sehr verschieden sein mögen, dass wir aber in unserer grenzenlosen Unwissenheit alle gleich sind.“