Wenn wir weit weg schauen, können wir in die Zeit zurückblicken. Diese einfache, aber umwerfende Tatsache ermöglicht es Astronomen, Schnappschüsse des Universums zu verschiedenen Zeiten zu beobachten und damit die komplexe Geschichte der kosmischen Evolution zusammenzusetzen. Mit jedem neuen Teleskop, das wir bauen, können wir weiter und früher in die Geschichte des Universums blicken. Das James Webb Space Telescope (JWST) hofft, bis in die Zeit zurückblicken zu können, als sich die ersten Galaxien bildeten.
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Die Vorstellung, dass das Hinausschauen dem Zurückschauen entspricht, ist relativ jung. Es stammt aus Einsteins Relativitätstheorie, die unter anderem behauptet, dass Licht sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet und nichts sich schneller ausbreitet als das. Im Alltag erleben wir die Konsequenzen dieses Konzepts so gut wie nie, weil die Lichtgeschwindigkeit so groß ist (300.000 km / s oder etwa eine Million Mal schneller als ein Düsenflugzeug), dass diese „Reisezeit“ kaum eine Rolle spielt. Wenn wir das Licht einschalten oder jemand uns eine E-Mail aus Europa sendet, werden diese Ereignisse (die Glühbirne geht an oder die E-Mail wird empfangen) als augenblicklich angesehen, da das Licht nur einen winzigen Bruchteil einer Sekunde benötigt, um durch eine zu wandern Raum oder sogar um die ganze Erde. Auf astronomischer Ebene hat die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit jedoch tiefgreifende Auswirkungen.
Die Sonne ist ungefähr 150 Millionen km entfernt, was bedeutet, dass das Sonnenlicht ungefähr 8 Minuten und 20 Sekunden benötigt, um uns zu erreichen. Wenn wir in die Sonne schauen, sehen wir ein Bild, das 8 Minuten alt ist. Unsere nächste Nachbargalaxie, Andromeda, ist ungefähr 2, 5 Millionen Lichtjahre entfernt. Wenn wir Andromeda betrachten, betrachten wir es so, wie es vor 2, 5 Millionen Jahren war. Auf menschlichen Zeitskalen hört sich das vielleicht nach viel an, aber für Galaxien ist es eine sehr kurze Zeit. Unser "abgestandenes" Bild ist wahrscheinlich immer noch eine gute Darstellung dessen, wie Andromeda heute aussieht. Die schiere Weite des Universums stellt jedoch sicher, dass es viele Fälle gibt, in denen die Reisezeit des Lichts von Bedeutung ist. Wenn wir eine Galaxie betrachten, die eine Milliarde Lichtjahre entfernt ist, sehen wir sie wie vor einer Milliarde Jahren, genug Zeit, damit sich eine Galaxie signifikant verändert.
Wie weit zurück in der Zeit können wir also sehen? Die Antwort auf diese Frage wird von drei verschiedenen Faktoren bestimmt. Eines ist die Tatsache, dass das Universum „nur“ 13, 8 Milliarden Jahre alt ist, sodass wir nicht auf eine Epoche zurückblicken können, die weiter entfernt liegt als der Beginn des Universums, der als Urknall bekannt ist. Ein weiteres Problem - zumindest wenn wir uns mit astrophysikalischen Objekten wie Galaxien befassen - ist, dass wir etwas brauchen, um es zu betrachten. Das Uruniversum war eine kochende Suppe von Elementarteilchen. Es dauerte einige Zeit, bis diese Teilchen abgekühlt waren und sich zu Atomen, Sternen und Galaxien zusammengeschlossen hatten. Selbst wenn diese Objekte erst einmal auf der Erde waren, sind für ihre Beobachtung viele Milliarden Jahre später äußerst leistungsstarke Teleskope erforderlich. Die Helligkeit physikalischer Quellen nimmt mit der Entfernung rapide ab, und der Versuch, eine Galaxie in einer Entfernung von 1 Milliarde Lichtjahren zu orten, ist ebenso schwierig wie der Versuch, den Scheinwerfer eines Autos in einer Entfernung von etwa 10000 km zu orten. Der Versuch, dieselbe Galaxie in einer Entfernung von 10 Milliarden Lichtjahren zu entdecken, ist 100-mal schwieriger.
Bisher war dies der treibende Faktor bei der Begrenzung der Entfernung zu den entferntesten Galaxien, die wir sehen können. Bis in die 1980er Jahre basierten alle unsere Teleskope auf dem Boden, wo die Erdatmosphäre und die Lichtverschmutzung ihre Leistung beeinträchtigten. Dennoch waren uns bereits Galaxien in mehr als 5 Milliarden Lichtjahren Entfernung bewusst. Der Start des Hubble-Weltraumteleskops im Jahr 1990 ermöglichte es uns, diesen Streckenrekord viele Male zu knacken, und während ich dies schreibe, befindet sich die am weitesten bekannte Galaxie in der Vergangenheit in atemberaubenden 13, 4 Milliarden Jahren.
Das JWST wird Infrarotlicht verwenden, um jede Phase in der kosmischen Geschichte zu untersuchen, angefangen von den ersten leuchtenden Strahlen nach dem Urknall bis hin zur Bildung von Sternensystemen, die das Leben auf Planeten wie der Erde unterstützen können. (NASA) Dies bringt uns zu einer der Schlüsselfragen der modernen Astronomie: Welche Eigenschaften dieser weit entfernten Galaxien können wir tatsächlich messen? Während Beobachtungen von nahe gelegenen Galaxien ihre Formen und Farben sehr detailliert zeigen, ist die einzige Information, die wir über die am weitesten entfernten Galaxien sammeln können, ihre Gesamthelligkeit. Wenn wir sie jedoch mit Teleskopen betrachten, die für Lichtfrequenzen außerhalb des sichtbaren Bereichs wie Ultraviolett, Radio und Infrarot empfindlich sind, können wir Hinweise auf die Sternpopulationen der Galaxie sowie auf deren Entfernung von uns erhalten.
Indem wir Galaxien bei möglichst vielen verschiedenen Frequenzen beobachten, können wir ein Spektrum erstellen, das zeigt, wie hell die Galaxie in jedem Lichttyp ist. Da sich das Universum ausdehnt, wurden die elektromagnetischen Wellen, die von unseren Teleskopen erfasst werden, entlang des Weges gestreckt, und es kommt vor, dass das Ausmaß der Streckung in den Spektren proportional zur Entfernung der Galaxie von uns ist. Diese Beziehung, Hubbles Gesetz genannt, ermöglicht es uns zu messen, wie weit diese Galaxien entfernt sind. Spektren können auch andere Eigenschaften aufzeigen, wie die Gesamtmasse in Sternen, die Geschwindigkeit, mit der die Galaxie Sterne bildet, und das Alter der Sternpopulationen.
Noch vor wenigen Monaten nutzte ein Team von Astronomen aus den USA und Europa die Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops und des Spitzer-Infrarot-Weltraumteleskops, um die bisher am weitesten entfernte bekannte Galaxie, GN-z11, zu entdecken. Beobachtet nur 400 Millionen Jahre nach dem Urknall ("als das Universum nur 3 Prozent seines gegenwärtigen Alters hatte", so der leitende Forscher Pascal Oesch), hat es eine Masse von einer Milliarde Sonnen zusammen, ungefähr die Hälfte unserer eigenen Milchstraße.
GN-z11 bildet mit einer bemerkenswerten Geschwindigkeit von 25 neuen Sonnen pro Jahr etwa 20-mal schneller Sterne. „Es ist erstaunlich, dass eine so massive Galaxie erst 200 bis 300 Millionen Jahre nach dem Beginn der Sternentstehung existierte. Es braucht sehr schnelles Wachstum, um Sterne mit einer riesigen Geschwindigkeit zu produzieren und so schnell eine Galaxie zu bilden, die eine Milliarde Sonnenmassen umfasst “, erklärt Garth Illingworth, ein weiterer Forscher im Entdeckungsteam.
Die Existenz eines derart massiven Objekts in einer derart frühen Zeit kollidiert mit aktuellen Szenarien der kosmischen Assemblierung und stellt Wissenschaftler, die an der Modellierung der Entstehung und Evolution von Galaxien arbeiten, vor neue Herausforderungen. "Diese neue Entdeckung zeigt, dass das Webb-Teleskop (JWST) mit Sicherheit viele solcher jungen Galaxien finden wird, die bis in die Zeit zurückreichen, als sich die ersten Galaxien bildeten", sagt Illingworth.
Der Start von JWST ist für 2018 geplant. Die Umlaufbahn des Systems Sonne / Erde wird von einem speziellen Ort aus durchgeführt, der 900.000 Meilen von uns entfernt ist. Wie Hubble wird JWST mehrere Instrumente tragen, einschließlich leistungsstarker Kameras und Spektrographen, aber es wird eine verbesserte Empfindlichkeit aufweisen: sein Primärspiegel wird fast siebenmal größer sein und sein Frequenzbereich wird sich viel weiter in den Infrarotbereich erstrecken. Der unterschiedliche Frequenzbereich ermöglicht es JWST, Spektren mit höherer Dehnung zu erfassen, die zu weiter entfernten Objekten gehören. Es wird auch die einzigartige Fähigkeit haben, Spektren von 100 Objekten gleichzeitig aufzunehmen. Mit JWST wollen wir die Distanzbarriere nur 150 Millionen Jahre nach dem Urknall noch weiter ausdehnen und die ersten Galaxien entdecken, die jemals gebildet wurden. JWST wird uns helfen zu verstehen, wie sich die Formen von Galaxien mit der Zeit ändern und welche Faktoren die Wechselwirkungen und Fusionen von Galaxien beeinflussen.
JWST wird sich aber nicht nur mit Galaxien befassen. Indem wir das Universum im Infrarotlicht betrachten, können wir durch die dicken Staubvorhänge, die neugeborene Sterne und Planeten umhüllen, hindurchsehen und ein Fenster zur Bildung anderer Sonnensysteme bieten. Darüber hinaus werden spezielle Instrumente, sogenannte Coronagraphs, die Abbildung von Planeten um andere Sterne ermöglichen und hoffentlich zur Entdeckung mehrerer erdähnlicher Planeten führen, die Leben aufnehmen können. Für jeden, der jemals in den Himmel geschaut und sich gefragt hat, was da draußen ist, wird das nächste Jahrzehnt eine sehr aufregende Zeit.
