Ein Team von Wissenschaftler:innen um die Astronomin Chloe Cheng von der niederländischen Universität Leiden hat mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) neun massereiche Galaxien aus dem frühen Universum im Detail analysiert. Dabei stellten die Forscher:innen fest, dass diese fernen Sternensysteme einen deutlichen Überschuss an massearmen Sternen aufweisen, wie in einer im Wissenschaftsmagazin Nature Astronomy veröffentlichten Studie zu lesen ist.
Diese neu entdeckten Himmelskörper zwingen die wissenschaftliche Gemeinschaft jetzt dazu, etablierte Grundannahmen der Astrophysik einer strengen Überprüfung zu unterziehen. Bislang gingen Astrophysiker:innen weltweit nämlich davon aus, dass die sogenannte ursprüngliche Massenfunktion überall im Kosmos in etwa der vertrauten Verteilung in unserer Heimatgalaxie entspricht.
Diese Annahme über das Verhältnis von massereichen zu massearmen Sternen bildete jahrzehntelang das Fundament für die Bestimmung der Gesamtmasse weit entfernter Galaxien. Durch die neuen und hochpräzisen Messdaten des Weltraumteleskops gerät dieses theoretische Konstrukt jetzt massiv ins Wanken und offenbart einen bisher unbemerkten blinden Fleck in der Forschung.
Spektrografen des JWST offenbaren winzige Sterne
Um die astrophysikalischen Vorgänge besser verständlich zu machen, vergleicht Cheng eine Galaxie mit einer weit entfernten irdischen Stadt. Bei dieser können Beobachter:innen aufgrund der großen Distanz zunächst nur die größten und am hellsten leuchtenden Wolkenkratzer im Lichtspektrum erkennen.
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Die hochsensiblen Instrumente des JWST, die bei diesem Projekt mit bodengebundenen Beobachtungen des Very Large Telescope in der chilenischen Atacama-Wüste kombiniert wurden, änderten diesen Umstand grundlegend. Sie machten es erstmals möglich, auch das extrem schwache Licht der kleinen Sterne, die in der Stadt-Analogie den winzigen Wohnhäusern entsprechen, aus dem Hintergrundrauschen präzise herauszufiltern.
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Dieser technische Durchbruch war laut den Studienautor:innen bis vor Kurzem noch vollkommen undenkbar, da schlichtweg die erforderliche optische Präzision fehlte. Erst der hochmoderne und empfindliche Nah-Infrarot-Spektrograf an Bord des Weltraumteleskops lieferte ein ausreichend hohes Signal-Rausch-Verhältnis, um die subtilen spektralen Eigenschaften der kleinen Zwergsterne trennscharf zu identifizieren.
Das Resultat dieser detaillierten Spektralanalysen zeigt, dass diese frühen Galaxien in Wahrheit wesentlich mehr Materie in sich vereinen, als die bisherigen Standardmodelle vorhersagten. Da die Gesamtmasse eines Sternensystems stets über dessen Leuchtkraft bestimmt wird, überstrahlten die großen Sterne bisher schlichtweg die bloße Existenz ihrer unzähligen, weitaus kleineren Nachbarn.
Fehlerhafte Kalkulationen belasten etablierte Theorien
Nun steht jedoch fest, dass die Masse der kleinen Himmelskörper in der Summe stark ins Gewicht fällt und die klassischen Massekalkulationen deutlich verändert. Besonders klar zeigt sich diese Auswirkung bei einer spezifischen Galaxie der untersuchten Stichprobe, die nicht einmal 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall entstanden ist.
Dieses konkrete Sternensystem bringt aktuellen Berechnungen zufolge schätzungsweise die vierfache Masse der früheren Schätzungen auf die kosmische Waage, wie Space.com berichtet. Solche massiven Abweichungen zwingen die Forscher:innen letztlich dazu, die Entstehungsgeschichte solcher Himmelskörper neu zu bewerten.
Die aktuelle Diskrepanz verschärft das in der Forschung ohnehin diskutierte Problem der sogenannten „unmöglich frühen Galaxien“. Diese weisen nach alten Rechnungen eine hohe Sternenmasse auf, die gemäß etablierter kosmologischer Theorien zu diesem frühen Zeitpunkt des Universums eigentlich noch gar nicht in diesem Ausmaß vorhanden gewesen sein dürfte.
Wenn diese Systeme nun durch die neu entdeckten, verborgenen Zwergsterne nochmals signifikant schwerer ausfallen, müssen die zugrunde liegenden Theorien zur Strukturbildung im Kosmos revidiert werden. Die Leiterin der Leidener Forschungsgruppe, Mariska Kriek, weist in diesem Zusammenhang nachdrücklich darauf hin, dass ihre Entdeckung weitreichende Konsequenzen für zahlreiche angrenzende Felder der Astronomie nach sich ziehen wird.
Da viele Exoplaneten bekanntermaßen um derartige kleine Sterne kreisen, könnte der neue Datenbestand bedeuten, dass bereits im frühen Universum weitaus mehr Planeten entstanden sind als bislang vermutet. Die entsprechenden Berechnungen der vergangenen Jahrzehnte müssen jetzt kritisch hinterfragt werden.
