"Staub ist der Baustein des Universums", sagt Melissa Shahbandeh, eine Astrophysikerin am Space Telescope Science Institute (STScI). Im Laufe von Millionen von Jahren sammeln sich kosmische Staub- und Gaspartikel zu großen, dichten Wolken an, aus denen Planeten und Sterne entstehen. Der Ursprung des Staubs ist sehr rätselhaft, aber auf der Grundlage von Daten des James-Webb-Weltraumobservatoriums der NASA scheinen Shahbandeh und seine Kollegen die Quelle des Staubs gefunden zu haben, der das frühe Universum füllte: Sie glauben, dass es sich dabei um gigantische Sternexplosionen, so genannte wechselwirkende Supernovae, handeln könnte, deren intensive Schockwellen die Staubwolken, die sich um die Supernovae herum angesammelt haben, in den umgebenden Raum hinausfegen können.

Die Ergebnisse, die letzte Woche auf der Tagung der American Astronomical Society vorgestellt wurden und im Astrophysical Journal veröffentlicht werden sollen, sind beeindruckend, so Lifan Wang, Astrophysiker an der Texas A&M University. "Es ist erstaunlich, dass wir in der Lage sind, diese Art von Daten mit dem James-Webb-Weltraumteleskop zu sammeln", sagt er. "Wenn wir verstehen können, wie sich der Staub in der Frühzeit gebildet hat, können wir vielleicht auch verstehen, wie wir hierher gekommen sind", fügt Shahbandeh hinzu, der meint, die Ergebnisse könnten uns auch helfen zu verstehen, woher die Erde und alles auf ihr stammt.

In Sternen mit der 1-10-fachen Masse unserer Sonne, die ihren Wasserstoffbrennstoff verbrannt haben, sammeln sich in der kalten äußeren Atmosphäre winzige Partikel aus schwereren Elementen wie Kohlenstoff und Silizium an, die von starken Sternwinden weggeblasen werden. Astronomen haben jedoch große Mengen an Staub im frühen Universum gefunden, obwohl Sterne Hunderte von Millionen oder sogar Milliarden von Jahren brauchen, um zu altern und "staubig" zu werden. Experten vermuten, dass in der Frühzeit der kosmischen Geschichte Kernkollaps-Supernovae - die entstehen, wenn Riesensterne ihren Brennstoff verbrauchen und unter ihrem eigenen Gewicht kollabieren - den Staub geliefert haben könnten, da explodierende Sterne schnell schwere Elemente produzieren können, die zu Staubpartikeln kondensieren.

Supernovae sind jedoch aufgrund ihrer flüchtigen Natur schwer zu entdecken, und der von ihnen stammende Staub ist noch schwieriger zu finden, da er sich bei seiner Ausdehnung abkühlt und aus dem Sichtfeld der Teleskope verschwindet. Der Astrophysiker Ori Fox vom STScI vermutete, dass empfindlichere Teleskope eine "Goldgrube" aufdecken würden, und so kartierte sein Team 2019 Dutzende von Kernkollaps-Supernovae mit dem in die Jahre gekommenen Infrarot-Weltraumteleskop Spitzer. Die Bilder waren zu niedrig aufgelöst, um den Staub zu erkennen, aber die Forscher hofften, die Kandidaten irgendwann mit einem besseren Instrument untersuchen zu können.

Die NASA startet 2021 das James Webb-Teleskop, das über einen riesigen Spiegel und hochempfindliche Infrarotkameras verfügt. In den nächsten Jahren haben Experten mehr als 200 Supernovae identifiziert, die Staub enthalten könnten, von denen viele von Spitzer kartiert wurden. Nachdem sie die Spektren einiger dieser Supernovae kartiert hatten, fanden Fox, Shahbandeh und ihre Kollegen, wonach sie gesucht hatten. In den Spektren von vier Paaren hunderte Millionen Jahre alter Supernovae fanden sie Wellenlängen, die für Aluminium-, Silikat- und Kohlenstoffstaub charakteristisch sind. Eine der untersuchten Supernovae, 2005ip, enthielt Staub mit einer Masse, die 10 % unserer Sonne entspricht - die bei weitem größte Menge, die jemals in einer extragalaktischen Supernova nachgewiesen wurde. Eine näher gelegene Supernova, 2009hd, produzierte Staub mit der halben Masse unserer Sonne.

Um festzustellen, ob die Supernova tatsächlich den Staub produzierte, verglichen die Forscher das James-Webb-Spektrum von 2005ip mit einem Spektrum, das 15 Jahre zuvor mit dem Spitzer-Teleskop aufgenommen wurde. Während die Spitzer-Daten auf Kohlenstoffstaub hinwiesen, zeigten die James-Webb-Daten viel höhere Mengen an Silikatstaub, was darauf hindeutet, dass die Supernova in der Zwischenzeit noch mehr Staub produziert hat.

Das Forscherteam geht davon aus, dass Riesensterne in der letzten Phase ihres Lebens schwerere Elemente ausstoßen, die sich zu Staubpartikeln zusammenballen und eine kalte, dichte Hülle um den Kern bilden. Wenn der Kern des Sterns schließlich kollabiert und explodiert, zerstreut die Druckwelle den Staub. Dieser Mechanismus könnte auch die im frühen Universum beobachteten Staubmengen erklären, zumal einige Astronomen glauben, dass interagierende Supernovae in der Frühzeit häufiger vorkamen.

Natürlich müssen diese Ergebnisse noch weiter erforscht werden, aber es ist alles gesagt. Die Daten des James Webb und anderer bald in Betrieb gehender Riesenteleskope wie dem Vera C. Rubin-Observatorium könnten bald noch mehr Licht auf die Rolle der Supernovae im frühen Kosmos werfen. "Vor zwanzig Jahren haben wir weit über hundert Supernovae pro Jahr entdeckt. Bald werden wir jede Minute hundert Supernovae entdecken", sagt Fox.