Was Webb und Hubble über die Entwicklung früher Galaxien verraten

Frühe Galaxien waren offenbar weder chemisch unberührt noch einfach zu modellieren. Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) zeigt, dass angereichertes Gas junge Galaxien bereits verließ. Hubbles TEMPOS-Durchmusterung untersucht dagegen nahe gelegene Sterne unter metallarmen Bedingungen – und stellt Annahmen über deren Sternwinde auf die Probe. Beides betrifft die Entwicklung von Galaxien, misst aber nicht denselben Vorgang. 110

Schwere Elemente waren früh unterwegs

Die drei mit Webb untersuchten Galaxien sind so zu sehen, wie sie rund 520 bis 650 Millionen Jahre nach dem Urknall aussahen. In ihrem Gas finden sich unter anderem Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium. In der Astronomie heißen solche Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium zusammenfassend Metalle. Sie mussten bereits von früheren Sternen erzeugt und verteilt worden sein. Hinweise auf nach außen strömendes, angereichertes Gas zeigen, dass sich früh ein Teil des sogenannten Baryonenkreislaufs abzeichnete: Gas gelangt in Galaxien, ermöglicht Sternentstehung und wird zum Teil wieder hinausbefördert. Ob das beobachtete Gas später zurückkehrte, ist damit nicht belegt.

Das hat Folgen für die Suche nach Sternen der Population III, der ersten, ursprünglich metallfreien Sterngeneration. Wo das untersuchte Gas bereits schwere Elemente enthält, ist es nicht mehr ursprünglich. Mögliche chemische Spuren der ersten Sterne wären zudem keine direkte Beobachtung dieser Sterne. Die Befunde schränken die Erwartung ein, im hier untersuchten Gas noch unmittelbar beobachtbare metallfreie Sternpopulationen zu finden – nicht überall im Universum.

Hubble prüft die Sternphysik hinter den Modellen

TEMPOS hat Ultraviolettspektren von 29 massereichen O-Sternen in sechs nahe gelegenen metallarmen Zwerggalaxien zusammengetragen. Erste Ergebnisse deuten auf überraschend schwache Sternwinde hin. Unterhalb eines Metallgehalts von ungefähr einem Zehntel des Sonnenwerts könnten sie stärker nachlassen, als eine gleichmäßige Fortschreibung bisheriger Zusammenhänge erwarten ließe. Wie ausgeprägt dieser Effekt ist und wo genau die Grenze liegt, muss weiter geprüft werden. 161013

Sternwinde sind nicht die von Webb beobachteten Gasströme ganzer Galaxien. Sie tragen Material von einzelnen Sternen fort und sind ein Bestandteil der Rückwirkung von Sternen auf ihre Umgebung. Ändert sich die angenommene Stärke dieser Winde, können sich auch Vorhersagen zur Entwicklung junger Galaxien ändern. Die nahen TEMPOS-Sterne liefern dafür einen Testfall; sie sind weder eine direkte Messung der Sterne in Webbs fernen Galaxien noch ein Nachweis für die Ursache der dortigen Ausströmungen. 13

Warum „Metallgehalt“ nicht immer eine Zahl sein kann

Strahlungsgetriebene Sternwinde hängen von Metallionen in der Sternatmosphäre ab. TEMPOS findet Unterschiede in der Eisenabsorption. Das erschwert eine verbreitete Abkürzung: den Sauerstoffgehalt des Gases einer Galaxie als Stellvertreter für die Zusammensetzung ihrer Sterne zu verwenden. Frühere Untersuchungen extrem metallarmer Galaxien zeigten ebenfalls, dass eisenbasierte Messungen an Sternen und Sauerstoffmessungen am Gas nicht zwingend auf dasselbe Elementverhältnis hinauslaufen. 346

Für Modelle heißt das: Unsichere Annahmen über Sternwinde bei sehr niedrigem Metallgehalt und über das Verhältnis einzelner Elemente sollten zusammen mit Gaszufuhr, Ausströmungen und chemischer Anreicherung geprüft werden. Webb und Hubble liefern dafür unterschiedliche, einander ergänzende Anhaltspunkte. Eine einzige nachgewiesene Erklärung für die komplexen frühen Galaxien ist daraus noch nicht geworden. 1410