Wachsen junge Galaxien schneller als gedacht? Besondere Chemie von extrem weit entfernten Galaxien nachgewiesen

Astronomen haben herausgefunden, dass junge Galaxien bereits mehr schwere Elemente aufweisen als lange angenommen, etwa Kohlenstoff und Sauerstoff. Auch der Aufbau scheint weiter fortgeschritten zu sein, als man es für die Frühphase angenommen hatte.

Zwölf der 18 Galaxien aus der ALPINE-CRISTAL-JWST-Durchmusterung. Jedes Bild zeigt die Lage von ionisiertem Gas in den Galaxien. Mehrere der abgebildeten Galaxien interagieren, das heißt, zwei oder sogar drei Galaxien befinden sich gerade im Prozess der Verschmelzung. Bild: Andreas Faisst (Caltech)/ALPINE-CRISTAL-JWST-Survey-Team

Als das Universum noch keine Milliarde Jahre alt war, befand es sich in einer Phase intensiver Aktivität. Galaxien wuchsen rasant, formten Sterne in großer Zahl und legten damit den Grundstein für den heutigen Kosmos. Nun haben Astronomen einen beispiellosen Einblick in diese frühe Epoche gewonnen.

Der gängigen Lehrmeinung zufolge fand der Urknall vor ca. 13,8 Milliarden Jahren statt. Danach dehnte sich das Universum aus, es bildeten sich Atome (ca. 380 000 Jahre), erste Sterne (ca. 100–200 Mio. Jahre) und Galaxien (ab ca. 500 Mio. Jahre).

Im Zentrum der neuen Studie stehen 18 extrem weit entfernte Galaxien, deren Licht rund 12,5 Milliarden Jahre bis zur Erde unterwegs war – die Bilder sind also Aufnahmen aus dem sehr jungen Universum. Die Forschenden beobachteten die Objekte über einen Zeitraum von acht Jahren hinweg, wobei sie Daten aus dem Ultraviolett- und Infrarot- mit dem Radiobereich miteinander kombinierten.

Zum Einsatz kamen gleich drei der leistungsfähigsten Instrumente der modernen Astronomie: das Hubble-Weltraumteleskop, das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) sowie das Radioteleskop-Array ALMA in Chile. Die Weltraumbeobachtungen wurden durch Messungen bodengebundener Teleskope ergänzt, mit deren Hilfe sich etwa die Gesamtmasse der Sterne in den Galaxien bestimmen ließ. Ergebnis ist ein ungewöhnlich vollständiges Bild junger Galaxien in einer wichtigen Entwicklungsphase.

Chemie des frühen Universums

„Mit dieser Stichprobe sind wir in einer einzigartigen Position, die Galaxienentwicklung während einer Schlüsselphase des Universums zu untersuchen, die bisher nur schwer abzubilden war“, sagt Andreas Faisst vom Infrared Processing and Analysis Center (IPAC) des California Institute of Technology (Caltech).

Dank dieser außergewöhnlichen Teleskope konnten wir die Galaxien räumlich auflösen und die Phasen der Sternentstehung so beobachten, wie sie tatsächlich abliefen, ebenso wie ihre chemischen Eigenschaften zu einer Zeit, als unser Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war.

Die Beobachtungen sind Teil der internationalen ALPINE-CRISTAL-JWST-Durchmusterung, an der mehr als 50 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus über 15 Institutionen beteiligt sind. Vorgestellt wurden die Ergebnisse Anfang Januar 2026 auf der Tagung der American Astronomical Society, veröffentlicht wurden sie in der Supplement-Reihe des Astrophysical Journal.

DC-873321 ist ein verschmelzendes Galaxienpaar, 12,6 Milliarden Lichtjahre entfernt. DC-842313 ist Teil eines Systems aus drei oder vier miteinander verschmelzenden Galaxien, 12,4 Milliarden Lichtjahre entfernt. Die Bilder zeigen unterschiedliche Wellenlängen: Sterne (optisches Sternenlicht, JWST), heißes ionisiertes Gas (optische Wasserstoff-Alpha-Emission, JWST), Staub (Radiowellen, ALMA) und kaltes Gas (Kohlenstoffemission, ALMA). Bild: Robert Hurt (Caltech)/Andreas Faisst (Caltech)/ ALPINE-CRISTAL-JWST-Survey-Team

Besonders überraschend ist das Tempo, mit dem sich die jungen Galaxien entwickeln. Die Analyse zeigt, dass sie deutlich stärker chemisch angereichert sind als bisher vermutet. Bereits zu diesem frühen Zeitpunkt enthalten sie große Mengen schwerer Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff.

Blutjunge Galaxien „wie Teenager“

Solche Elemente – in der Astronomie als Metalle bezeichnet – entstehen im Inneren von Sternen. Wenn Gaswolken kollabieren und neue Sterne entzünden, beginnen nukleare Prozesse, die leichte Elemente in schwerere umwandeln. Mit dem Tod massereicher Sterne werden die Stoffe ins interstellare Medium zurückgeführt und stehen der nächsten Sternengeneration zur Verfügung. Ohne diesen Kreislauf gäbe es weder Planeten noch Leben.

„Wie entstehen Metalle in weniger als 1 Milliarde Jahre? Es war überraschend, solch chemisch reife Galaxien zu sehen. Es ist, als würde man zweijährige Kinder sehen, die sich wie Teenager verhalten.“

– Andreas Faisst, wissenschaftlicher Mitarbeiter, IPAC, Caltech

Zu dieser rasanten Entwicklung passt ein weiteres Ergebnis der Studie: In fast der Hälfte der untersuchten Galaxien wachsen die zentralen supermassereichen Schwarzen Löcher besonders schnell. Sie verschlingen aktiv Materie aus ihrer Umgebung, was darauf hinweist, dass auch diese Objekte früh auf Hochtouren laufen.

Merkmale älterer Galaxien entdeckt

Schon frühere Ergebnisse der übergeordneten ALPINE-Durchmusterung hatten gezeigt, dass viele junge Galaxien überraschend geordnete, rotierende Scheiben besitzen. Solche Strukturen galten lange als Merkmal älterer Galaxien wie der Milchstraße. Nun bestätigt sich, dass strukturelle und chemische Reife offenbar Hand in Hand gehen. „Mit der neuen Durchmusterung können wir nun zeigen, dass einige der Galaxien sowohl strukturell als auch chemisch bereits weit entwickelt waren“, so Faisst.

Auch das Umfeld der Galaxien, das zirkumgalaktische Medium, ist reich an schweren Elementen. „Die Galaxien weisen sehr flache Gradienten in ihren Metallhäufigkeiten auf, die sich über mehr als 30.000 Lichtjahre erstrecken“, erklärt Mitautor Wuji Wang, Postdoktorand am IPAC.

In Zukunft wollen die Forschenden ihre Beobachtungen mit kosmologischen Simulationen verbinden. „Die Kombination aus Beobachtungen und Simulationen bietet eine leistungsstarke Synergie“, erklärt Faisst. Damit wollen die Forschenden besser verstehen, wie die ersten Sterne, Planeten – und letztlich Galaxien wie unsere Milchstraße – entstanden sind.

Quellenhinweis:

Faisst, A. L., Fujimoto, S., Tsujita, A., Wang, W., et al. (2025): The ALPINE-CRISTAL-JWST Survey: JWST/IFU Optical Observations for 18 Main-sequence Galaxies at z = 4–6. The Astrophysical Journal Supplement Series, 282, 1.

Fujimoto, S., Faisst, A. L., Tsujita, A., Kohandel, M., Lee, L. L., et al. (2025): The ALPINE-CRISTAL-JWST Survey: NIRSpec IFU Data Processing and Spatially-resolved Views of Chemical Enrichment in Normal Galaxies at z = 4 – 6. arXiv.