Die Entstehung von Galaxien im Universum sollte eigentlich einem ziemlich einfachen Schema folgen. Es beginnt mit kleinen Galaxien, die dann immer größer werden, bis sie zu den riesigen Galaxien heranwachsen, die wir im modernen Universum sehen, wie unsere Milchstraße. Klingt einfach, oder? Doch das gilt nicht uneingeschränkt für eine bestimmte Klasse elliptischer Galaxien – riesige, sphärische Ansammlungen von Sternen ohne klare Struktur. Mit Hilfe von EU-Fördermitteln haben Forscher sich zum Ziel gesetzt, den Ursprung dieser Galaxien zu ergründen und weitere Geheimnisse des Universums zu lüften.

Dazu sind sie in der Zeit zurückgereist und haben leistungsstarke Teleskope eingesetzt, die dem Licht bis in entlegene Winkel des Universums folgen können. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler Galaxien so betrachten, wie sie in der Vergangenheit, sogar vor Milliarden von Jahren, erschienen. „Galaxien sind die Wegweiser des Universums. Sie sind der Ursprung von allem“, sagt Sune Toft, Kosmologe am Niels-Bohr-Institut in Dänemark. „Die detaillierten Szenarien ihrer Entstehung zu verstehen, ist der einzige Weg, um den Anfang des Universums und unseren Ursprung zu begreifen.“ Toft leitete von 2015 bis 2021 das von der EU finanzierte Projekt ConTExt. Ziel war es, einige der ältesten elliptischen Galaxien überhaupt zu beobachten, die bis in die ersten 2 Milliarden Jahre der 13,8 Milliarden Jahre langen Geschichte des Universums zurückreichen.

Zeitreisen in ferne dunkle Winkel: Die Antworten stehen noch aus

Obwohl Forscher einige Einblicke in elliptische Galaxien gewonnen haben, bleiben sie weiterhin ein Rätsel. „Diese Galaxien sind seit vielen Jahren bekannt, aber es ist ein Rätsel, wie sie entstehen, da sie im lokalen Universum durchweg alt und tot sind“, erklärt Toft. Die Grundidee seiner Forschung war: Wenn wir immer weiter in der Zeit zurückreisen und Galaxien betrachten, die Milliarden Lichtjahre entfernt sind, sollten wir schließlich die Vorläufer dieser Galaxien erkennen und verstehen können, wie sie so massiv wurden. „Doch egal, wie weit wir zurückblickten, sie sahen weiterhin alt und tot aus.

Sie zeigen praktisch keine Sternentstehung“, sagt Toft und verweist auf den Prozess im Kern der Galaxienentwicklung. Das bedeutet, dass die Galaxien im frühen Universum sehr schnell gewachsen sein müssen. Es ist jedoch immer noch nicht bekannt, wie und wann genau das geschah. Und es gibt ein weiteres Rätsel: Wenn die Galaxien schnell wuchsen, warum hörten sie dann auf zu wachsen? Und was bedeutet das für unser Verständnis der hierarchischen Struktur von Galaxien im Universum, die Sterne, Planetensysteme, Sternhaufen und Galaxien umfasst? „Die kleinen Galaxien sollen zuerst entstehen. Warum sind also diese massiven Galaxien die ersten, die sich bilden?“, so Toft.

Sternentstehung

Seine Hypothese lautete, dass diese Galaxien früh in ihrer Geschichte eine Phase intensiver Sternentstehung durchliefen und zu sogenannten Starburst-Galaxien wurden. Starburst-Galaxien enthalten extrem dichte Mengen an Staub und Gas und können jedes Jahr Sterne mit der Masse von Tausenden Sonnen bilden. Zum Vergleich: Unsere Milchstraße bildet durchschnittlich eine neue Sonnenmasse pro Jahr. Mit Hilfe eines Teleskops in Chile, des Atacama Large Millimeter Array, sowie des Hubble-Weltraumteleskops und des Spitzer-Weltraumteleskops, die beide zu dieser Zeit um die Erde umkreisten, machte sich Toft an die Arbeit.

Er fand heraus, dass es in den ersten ein bis zwei Milliarden Jahren nach dem Urknall „genügend dieser sternbildenden Galaxien gab, um sich in tote Galaxien zu verwandeln“. Diese Galaxien waren dicht und kompakt und ähnelten den Kernen elliptischer Galaxien, wie wir sie heute sehen. Toft ging davon aus, dass diese Vorläufer elliptischer Galaxien sich schnell im Universum bildeten, bevor etwas ihre Sternentstehung abrupt stoppte. In den darauffolgenden rund 10 Milliarden Jahren sammelten diese Galaxien allmählich weitere Sterne an, indem sie kleinere Galaxien verschlangen und deren Sterne in die äußeren Regionen der Galaxie einfügten. Auf diese Weise blieben die elliptischen Galaxien alt und tot, konnten aber dennoch immense Größen erreichen.

Das frühe Wachstum der elliptischen Galaxien wurde wahrscheinlich durch Galaxienverschmelzungen verursacht, die die Sternentstehung auslösten. „Zwei große Galaxien prallen frontal aufeinander, und das Gas wird in das Zentrum dieser Kollision komprimiert“, erklärt Toft. „Das ist es, was man braucht, um sehr hohe Sternentstehungsraten zu erzielen.“ Unklar war jedoch noch, wie diese Galaxien deaktiviert wurden. Wie konnten sie die Sternentstehung so schnell stoppen und schließlich zu den toten Galaxien werden, die wir heute sehen?

Quenching

Sirio Belli, Astronom an der Universität Bologna in Italien, untersucht dieses Problem mit seinem Red Cardinal-Projekt, einer von der EU geförderten Initiative, die von 2023 bis 2028 läuft. Das Projekt nutzt das leistungsstarke James-Webb-Weltraumteleskop (JWST), das die Sonne umkreist, um diese frühen Galaxien wie nie zuvor zu erforschen. Es zeichnet sich die Idee ab, dass die in den Zentren dieser Galaxien gefundenen Schwarzen Löcher für ihre Entwicklung verantwortlich sind. Fast alle heutigen Galaxien, einschließlich unserer eigenen, enthalten ein supermassives Schwarzes Loch in ihrem Zentrum – ein riesiges Objekt, das Millionen bis Milliarden Mal schwerer als unsere Sonne ist. Diese Schwarzen Löcher treiben die Entstehung und Entwicklung einer Galaxie voran, indem sie Gas und Staub im Laufe der Galaxiengeschichte durchwirbeln und ausstoßen.

Belli hat herausgefunden, dass diese Schwarzen Löcher möglicherweise auch dafür verantwortlich sind, die Sternentstehung in frühen Galaxien zu stoppen – ein Prozess, der als Quenching bezeichnet wird. Im April 2024 nutzte Bellis Team das JWST, um die Entdeckung einer massiven Galaxie zu melden, die etwa 2,6 Milliarden Jahre nach dem Urknall gerade eine Quenching-Phase durchlief. „Es ist ein glücklicher Zufall, weil wir diese Galaxie genau in dem Moment beobachtet haben, als das Quenching stattfand“, erklärt Belli. Die Galaxie schien bis vor Kurzem noch zu wachsen. „Sie hat einfach aufgehört, Sterne zu bilden“, erklärte Belli.

„Gleichzeitig entdeckten wir einen gigantischen Wind, der aus der Galaxie herausströmt. Wir glauben, dass dies auf das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie zurückzuführen ist.“ Die Theorie besagt, dass das Schwarze Loch extrem aktiv wurde, wodurch „das Gas aus der Galaxie herausgedrückt wurde“, fügt Belli hinzu. „So hat man kein Gas mehr, um neue Sterne zu bilden. Es ist wie ein Auto, dem der Treibstoff ausgeht.“

Unklar ist jedoch, warum das Schwarze Loch überhaupt aktiv wurde. Eine Möglichkeit ist, dass das Schwarze Loch, nachdem es genug Material aufgenommen und ausreichend Masse angesammelt hat, plötzlich große Energiemengen freisetzt und damit das Quenching auslöst. „Wir vermuten, dass eine Galaxie, sobald sie eine bestimmte Masse erreicht – etwa 100 Milliarden Sonnenmassen – irgendwann vollständig erlischt“, sagte Belli. „Im heutigen Universum sehen wir keine massiven Galaxien mehr, die noch Sterne bilden.“

Ein riesiges Teleskop, um noch weiter vorzudringen

Weitere Antworten könnten durch neue Teleskope wie das European Extremely Large Telescope (ELT) gefunden werden, das derzeit in Chile gebaut wird und 2028 mit seinen Beobachtungen beginnen soll. „Mit dem ELT können wir das Innere dieser Galaxien im frühen Universum detailliert untersuchen“, sagt Belli – etwas, das mit dem JWST nicht möglich ist. Dadurch erfahren die Forscher nicht nur die Gesamtsternentstehungsrate, sondern auch, „wo die Sterne entstehen“, ergänzt er. „Wenn das ELT wie versprochen funktioniert, wird es ziemlich beeindruckend sein.“

Die Erforschung des Mechanismus hinter dem Quenching-Prozess wird entscheidend sein, um das Rätsel zu lösen, warum Galaxien sterben – eine Frage, die Wissenschaftler weiterhin beschäftigt. „Das sollte eigentlich nicht möglich sein, denn wenn sich eine Galaxie im frühen Universum befindet, ist sie mit Gas gefüllt“, erklärt Toft. „Wie kommt es dazu, dass eine Galaxie von der Bildung von Tausenden Sonnenmassen pro Jahr plötzlich auf Null fällt? Wenn wir beweisen wollen, dass Schwarze Löcher verantwortlich sind, müssen wir Galaxien finden, die sich gerade im Prozess des Abschaltens befinden.“

Mit diesem Wissen können wir besser verstehen, wie das heutige Universum, wie wir es kennen, entstanden ist. Die Forschung in diesem Artikel wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) finanziert. Die Ansichten der Befragten spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider.

Von Jonathan O’Callaghan