DIE SCHWARZE PERLE: EIN STAUBFINGERABDRUCK 500 MILLIONEN JAHRE NACH DEM URKNALL

Das James-Webb-Weltraumteleskop stellt immer wieder fest, dass sich Galaxien überraschend schnell mit Metallen und Staub füllten – innerhalb der ersten Milliarde Jahre der kosmischen Geschichte. Staub ist auf solche Entfernungen schwer zu untersuchen: Sein eigenes Wärmeleuchten ist äußerst schwer nachzuweisen. Doch Staub hinterlässt auch Spuren im Sternenlicht, das ihn durchquert, und eine dieser Spuren ist besonders aufschlussreich.

Eine Delle im Ultraviolett

In der Milchstraße dämpft Staub ultraviolettes Licht mit einem breiten „Buckel“ (bump), dessen Zentrum nahe 2.175 Ångström liegt: eine Delle im Spektrum, das stärkste Merkmal der Extinktionskurve unserer Galaxis. Man schreibt ihn weithin kleinen, kohlenstoffreichen Körnern oder Molekülen zu, wobei noch umstritten ist, welchen genau – kleine Graphitkörner, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und amorpher Kohlenstoff gehören zu den Kandidaten. Entlang verschiedener Sichtlinien in der Milchstraße variieren Breite und Stärke des Buckels, seine zentrale Lage aber ist bemerkenswert stabil.

Webb hat die Suche ins frühe Universum ausgedehnt. Ein Meilenstein war der Nachweis in einer Galaxie bei Rotverschiebung 6,71, etwa 800 Millionen Jahre nach dem Urknall, mit einem Buckel, dessen Maximum bei etwa 2.263 Å liegt – röter als in der Milchstraße. Ein weiterer, bei Rotverschiebung 7,11, hat sein Maximum bei 2.257 Å. Im Mittel scheint der Buckel zu früheren Zeiten hin schwächer zu werden.

Eine Galaxie bei Rotverschiebung 9,33

Giulia Rodighiero von der Universität Padua und dem INAF sowie rund fünfzig Mitautoren in Europa, Amerika und Asien durchsuchten Webbs NIRSpec-Spektren aus zwei koordinierten Programmen, ZENITH und EMBER. Sie betrachteten Quellen jenseits von Rotverschiebung 8, bei denen der Bereich um 2.175 Å erfasst ist, ohne gezielt solche auszuwählen, die bereits einen Buckel zeigten. Eine stach heraus. Sie nennen sie die Schwarze Perle – warum, verrät die Arbeit nicht.

Emissionslinien von Wasserstoff und Sauerstoff verorten sie bei Rotverschiebung 9,3335; wir sehen sie, wie sie etwa 500 Millionen Jahre nach dem Urknall war. Es ist eine recht kleine Galaxie mit einer Sternmasse von etwa 10^8,35 Sonnen, die pro Jahr Sterne im Umfang von rund 2,4 Sonnen bildet, und eine der im Ultraviolett leuchtkräftigsten spektroskopisch bestätigten Galaxien jenseits von Rotverschiebung 9.

Zwei Wege, dieselbe Delle zu sehen

Ihr Spektrum zeigt eine breite Senke genau dort, wo ein Staubbuckel liegen würde. Das Team vermaß sie auf zwei unabhängige Arten.

Erstens direkt: Man passt das ultraviolette Kontinuum mit einer glatten Kurve an und misst die zusätzliche Abschwächung. Die Delle wird mit 17,6 Sigma nachgewiesen, und ein zusätzliches buckelförmiges Profil verbessert die Anpassung enorm (ein χ² von 474 sinkt auf 8,2). Das Profil hat sein Maximum bei 2.132 ± 17 Å, eine Breite von 413 ± 54 Å und eine maximale Abschwächung von 0,21 Magnituden. Prüfungen schließen eine benachbarte Kohlenstoff-Emissionslinie und eine Mischung unaufgelöster Linien als Ursache aus.

Zweitens mit einem vollständigen Modell der Galaxie – Sterne, Gas, Staub und Photometrie –, das ein flexibles Staubgesetz verwendet, in dem Lage und Breite des Buckels frei sind. Beide getesteten Sternentstehungsgeschichten liefern einen Buckel, bei etwa 2.147 und 2.168 Å, im Einklang mit der direkten Messung, wenn auch weniger präzise.

Könnte ein Schwarzes Loch das Signal vortäuschen? Ein aktiver Kern kann einen Wald von Eisenlinien erzeugen, der eine Delle nachahmt. Die Emissionslinien deuten auf ein hartes Strahlungsfeld hin und lassen Raum für einen gewissen Beitrag eines Kerns, aber nicht für einen, der stark genug wäre, das Ultraviolett zu dominieren. Die Autoren favorisieren Staub, merken aber an, dass ein Kern, „möglicherweise sogar ein beträchtlicher“, nicht sicher ausgeschlossen werden kann.

In die falsche Richtung verschoben

Die Breite stimmt mit der in der Milchstraße überein. Die Lage nicht: 43 Å blauer als der Durchschnitt unserer Galaxis, bei etwa 2,5 Sigma, und rund 127 Å blauer als die beiden bekannten Buckel um Rotverschiebung 7, die ins Rote verschoben sind. Für die Autoren spricht diese Vielfalt gegen einen einzigen universellen Buckel im frühen Universum: Die Staubkörner dahinter unterschieden sich vermutlich von Galaxie zu Galaxie.

Was sind sie? Rechnungen für die kleinsten Graphitkörner kommen dem Profil der Schwarzen Perle nahe, anders als im früheren Fall bei Rotverschiebung 6,71. Auch einige einzelne PAK-Moleküle können es nachbilden – doch PAK sind in metallarmen Galaxien bei niedrigerer Rotverschiebung selten, und die hier abgeleitete intensive Strahlung könnte die kleinsten zerstören. Beides bleibt plausibel.

Staub in 200 Millionen Jahren

Die entscheidende Uhr sind nicht die 500 Millionen Jahre seit dem Urknall, sondern die Zeit, seit die Galaxie begann, Sterne zu bilden. Begann das um Rotverschiebung 14, standen etwa 200 Millionen Jahre zur Verfügung. Supernovae, Kornwachstum zwischen den Sternen und vielleicht die sich am schnellsten entwickelnden AGB-Sterne könnten beigetragen haben; wie viel jeder Prozess beitrug, bleibt offen.

Es handelt sich um eine einzige Galaxie, die Verschiebung ihres Buckels ist nur mit etwa 2,5 Sigma signifikant, und Abschwächungskurven lassen sich nicht eindeutig Korntypen zuordnen. Die Arbeit wurde bei der Fachzeitschrift ApJ eingereicht. Ihre Botschaft: Nicht nur das Vorhandensein des Buckels, sondern auch seine Form kann nun nachzeichnen, wie der erste Staub entstand.