Astronomen gingen lange davon aus, dass das Gas um die ersten Galaxien des Universums noch unberührt war – überwiegend Wasserstoff und Helium, die einzigen im jungen Kosmos verfügbaren Zutaten. Eine in Nature Astronomy veröffentlichte Studie von Forschenden der University of Arizona legt nahe, dass dieses Bild falsch ist.

Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop fand das Team heraus, dass Galaxien bereits 500 Millionen Jahre nach dem Urknall schwere Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Silizium produzierten und verteilten – als das Universum etwa 3 % seines heutigen Alters hatte, in der Epoche der Reionisierung.

„Wir haben beobachtet, dass schwere Elemente sehr, sehr früh in kosmischer Zeit aus Galaxien entwichen“, sagte Yongda Zhu, Erstautor und Postdoktorand am Department of Astronomy und Steward Observatory der University of Arizona. „Die Galaxien produzierten diese Elemente nicht nur, sie verteilten sie auch – und säten damit möglicherweise andere Galaxien.“

Zhus Methode war elegant: Statt nach Emission zu suchen, nutzte er die Galaxien selbst als Hintergrundlichtquellen. Auf dem Weg zur Erde durchlief ihr Licht das umgebende Gas und hinterließ schwache Absorptionsspuren. Er durchsuchte öffentlich verfügbare JWST-Spektren von Hunderten Galaxien manuell und fand drei – mit Rotverschiebungen von 7,2 bis 9,3, ihr Licht über 13 Milliarden Jahre alt – mit klaren Absorptionsmerkmalen von O I, Si II, C II, Si IV und C IV. Fast 30 Stunden Belichtung waren nötig, um so schwache Signale nachzuweisen.

Die Absorptionslinien waren relativ zur systematischen Rotverschiebung der jeweiligen Galaxie blauverschoben, mit Relativgeschwindigkeiten von 50 bis 250 km/s. Die Mischung der Ionisationszustände und überlappenden Geschwindigkeitsmerkmale deuten auf gestörtes, ausströmendes Gas hin: galaktische Winde, die Metalle aus den Galaxien in den intergalaktischen Raum tragen. Bemerkenswert ist, dass die chemischen Fingerabdrücke denen von Milliarden Jahre weiter entwickelten Galaxien ähneln – ein Beleg dafür, dass Anreicherung und Ausströmung seit der kosmischen Morgendämmerung andauern.

Der Befund, Teil des sogenannten Baryon-Cycling, könnte auch ein altes Rätsel lösen: Warum Astronomen bis heute keine bestätigte Beobachtung von Population-III-Sternen haben, der ersten aus unberührtem Gas entstandenen Generation. Wenn Galaxien bereits 500 Millionen Jahre nach dem Urknall ihre Umgebung anreicherten, überlebte wahrhaft unberührtes Gas womöglich nicht lange genug, um noch sichtbare Sterne zu bilden.

„Wenn man mit reinem Vanilleeis beginnt und kurz darauf Streusel einmischt, findet man bald kein unberührtes, einfaches Vanilleeis mehr“, sagte Zhu.

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