Raumzeit
Der Podcast mit Tim Pritlove über Raumfahrt und andere kosmische Angelegenheiten
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RZ122 Cosmic Dawn

Ein Blick auf die Frühzeit nach dem Urknall, der Lichtwerdung des Universums und der Entstehung der ersten Galaxien

Laut der aktuellen wissenschaftlichen Sichtweise ist das Universum aus einer Singularität heraus durch eine dramatische Expansion entstanden: dem Urknall. Dabei war alle die Materie die das All heute ausmacht auf einen einzelnen Punkt konzentriert und die daraus resultierende Temperatur machte auch noch mehrere hundertausend Jahre der Ausdehnung später unmöglich, dass sich auch nur Atome bildeten, was dann aber irgendwann geschah.

Trotzdem war das Universum dann noch lange für Licht ein undurchdringbares Medium bis die ersten Sterne mit ihrer Strahlung sich langsam einen Weg bahnten bis das transparente Weltall entstand. Erste Galaxien bildeten sich und legten die Grundlage für die Ausprägung des Weltalls wie wir es heute kennen.

https://raumzeit-podcast.de/2024/07/04/rz122-cosmic-dawn/
Veröffentlicht am: 4. Juli 2024
Dauer: 1:53:14


Kapitel

  1. Intro 00:00:00.000
  2. Vorstellung 00:00:35.008
  3. Persönlicher Hintergrund 00:01:53.402
  4. Cosmic Dawn Center 00:06:35.347
  5. Urknall und die Lichtwerdung 00:10:13.944
  6. Kosmische Hintergrundstrahlung 00:22:31.370
  7. Es werde Licht 00:28:51.026
  8. Nach 1 Mrd. Jahre 00:47:01.506
  9. Modellierung durch Software 00:53:15.218
  10. Realitätsabgleich JWST 01:16:36.810
  11. Neue Datenquellen 01:26:19.785
  12. Die ersten Galaxien 01:34:00.386
  13. Raumfahrt-Wünschdirwas 01:41:15.782
  14. Ausklang 01:50:57.607

Transkript

Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Genau, also der Satellit, der auch ein weiteres Weltraumteleskop, was sich ja auch auf die Suche nach dunkler Materie und dunkler Energie gibt, Galaxien beobachtet, hier bei Raumzeit in Sendung Nummer 117 ein ausführliches Thema schon gewesen und mittlerweile eben auch gestartet und mittlerweile kommen auch Daten. Also da geht es schon richtig los. Ja, gut. Dann kommen wir nochmal so ein bisschen auf dein Forschungsfeld, weil du hast dich ja jetzt sozusagen dieser Phase auch sehr verschrieben. Also Cosmic Dawn heißt ja literally sozusagen quasi das Morgengrauen des Universums, so könnte man das ja definieren. Sprich, es geht um die Frage, was ist denn eigentlich nun damals passiert? Und ich denke, jeder hat schon mal so ein bisschen was vom Urknall gehört. Also sozusagen das aktuelle wissenschaftliche Bild, ein Modell kann man sagen, eine Idee, wie all das zusammenpassen kann, was wir bisher beobachtet haben. Und was wir uns aus unseren Vorstellungen, wie Physik funktioniert und Einstein und anderen immer wieder bestätigten Theorien so zusammenbauen können, wie das alles zusammenpasst mit dem, was wir beobachten. Aber das ist halt nach wie vor ein Feld, was sich auch schwer beobachten ließ, weil es halt einfach alles schon lange her ist. Und ich finde es immer wieder faszinierend, weil ich denke, das ist auch vielen Leuten nicht so klar, dass ja der Blick ins All ja auch immer ein Blick in die Zeit ist. Wenn wir einen Stern sehen, dann ist das Licht ja nicht gerade vor zehn Minuten entstanden, sondern es ist halt teilweise Millionen und teilweise Milliarden Jahre her, dass dieses Licht erzeugt und auf die Reise zu uns geschickt wurde und so dieses expandierende Universum. Bietet uns sozusagen beliebig viel Beobachtungstiefe, nur gab es eben diese Instrumente bisher nicht, um eben auch beliebig tief reinzuschauen. Also beliebig tief können wir immer noch nicht reinschauen, aber es hat sich ja einiges getan und durch James Webb ist jetzt eben nochmal so eine ganz neue Zeit eigentlich angebrochen, kann man sagen. Also ein neues Zeitalter der Beobachtung, wo wir jetzt also jahrzehntelang eigentlich immer alles so ein bisschen dominiert war von Hubble, dem Weltraumteleskop, was ja jetzt glaube ich vor ein paar Tagen schon mal so in den vorübergehenden Ruhestand geschickt wurde. Also es ist noch da, aber man glaubt, es hält nicht mehr lang. Und um es noch erhalten zu können, sind sozusagen viele Systeme jetzt schon mal runtergefahren worden. Aber jetzt ist halt James Webb gelauncht und ist ja auch super erfolgreich gestartet und sieht ja auch so aus, als ob es sehr viel länger auch am Leben erhalten werden kann, als man sich das halt da am Anfang nur erträumen können. Und wie schon gesagt, jetzt kommen halt diese Daten. Jetzt reichert sich sozusagen auch wieder ein Blick mit Daten an, der ja vorher eigentlich nur in der Theorie entstanden ist. Was ist denn jetzt sozusagen unser aktuelles Bild, also das der Wissenschaft sozusagen, was ist sozusagen bisher der kleinste gemeinsame Nenner, der Konsens, was da mal wohl passiert ist und womit fing es an oder was ist der früheste Zeitpunkt, von dem wir eine Meinung haben, wie es vielleicht angefangen sein könnte, um es mal ganz zurückhaltend zu formulieren.

Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Ja.

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0:24:26
Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Ja, genau. Aber sie geben sozusagen, für Sterne ist es relativ genau eine Schwarzkörperstrahlung ungefähr. Also es ist eine Verteilung über verschiedene Wellenlängen oder Energiebereiche. Und die ultraviolette Strahlung ist sozusagen mehr der energiereichere Teil. Man kann sich jetzt zum Beispiel auch vorstellen, je heißer ein Stern ist, was eigentlich auch damit korreliert, dass er größer und massereicher ist, wenn er heißer ist, desto mehr energiereiche Strahlung entsendet er auch. Und dementsprechend, je mehr massereiche Sterne ich habe, desto mehr von dieser Strahlung, die Wasserstoff ionisieren kann, wird auch gebildet. Um jetzt auf deinen eigentlichen Punkt wieder zuzukommen, warum man diese Sterne vielleicht dann nicht wirklich sieht. Also können wir uns vorstellen, dass der energiereiche Teil der Strahlung von dem Wasserstoff, der teilweise in der Galaxie ist, aber auch außerhalb, also wir nennen zum Beispiel den Wasserstoff und auch das Helium, zwischen den Galaxien intergalaktisches Medium. Weil im Prinzip, wir haben ja nicht nur Galaxien, sondern überall anders auch das Gas. Und diese Strahlung, die ultraviolette Strahlung von den Sternen, ionisiert dann oder fängt an zu ionisieren den Wasserstoff im intergalaktischen Gas. Und man kann sich das jetzt vorstellen, das ist wie eine Welle, die sich so langsam ausbreitet. Im Prinzip ist es eher eine Sternansammlung, was so eine erste Galaxie ist. Das Licht wird ausgesendet, fängt an, den Wasserstoff im intergalaktischen Gas, das direkt um die Galaxie ist, anzujonisieren. Und dann kann es ja, wenn es den ersten Wasserstoff ionisiert hat, kann es sozusagen weiter durchgehen. Weil es ja den ersten Teil, den er schon ionisiert hat, absorbiert ja nicht mehr diese ultraviolette Strahlung.

Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Also alles ist sozusagen eine riesige Gassuppe. So stelle ich mir das vor. Und durch die Verdichtung über diese Millionen von Jahren bilden sich dann halt die Sterne. Die Sterne sind ja im Prinzip eine Zusammenklumpung von Gas, dann setzt halt die Fusion ein, dann wird das eben verbrannt, das kennen wir ja von unserer Sonne auch. Aber sind halt einfach noch umgeben von diesem neutraler Wasserstoff, wo sozusagen alles dabei ist. Und erst durch ultraviolette Strahlung, also durch besonders energetische Sonnen, wird dann diesem Wasserstoff sozusagen die Elektronen weggekickt. Sind dann nach wie vor noch Wasserstoffatome, aber die haben halt einen Elektron weniger. Oder keins mehr. Es ist ja eh nur eins da. Ist ja eigentlich ziemlich fies. Und jetzt haben sie sich gerade erst gefunden, ähm. Und das dauert natürlich dann eine Weile, aber in dem Moment, wo das stattfindet, dann hebt sich sozusagen diese Strahlung, also in dem Moment, wo die Strahlung auf das Atom trifft, wird das Elektron weggeschossen, aber damit ist dann die Strahlung quasi weg. Also sie ist dann vollständig energetisch absorbiert, es strahlt dann nicht darüber hinaus. Das ist dann sozusagen der Trade, der dann gemacht wird. Strahlung kommt, Elektronen wird rausgekickt und das hat dann diese Energie in dem Moment vernichtet. Sprich, es braucht dann noch mehr Strahlung, damit dann die dahinterliegenden Atome auch noch kommen und so weiter. Und so breitet sich das langsam aus. Und das ist dann sozusagen diese Reionisierung des Weltalls, die sich jetzt, naja, ich meine, in kosmischen Dimensionen dauert das dann ja dann wahrscheinlich auch eine Weile.

Anne Hutter
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Ja.

Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Aber natürlich schon noch, also nicht für uns sichtbar, nicht für Menschen sichtbar, aber für unsere Instrumente natürlich sehr wohl sichtbar. Das ist ja genau das, was jetzt das James Webb Teleskop so schön macht. Okay, aber jetzt verstehe ich auch den Punkt. Also es gab im Prinzip zwei Unsichtbarkeiten, die zusammenkamen. Das eine ist die ultraviolette Strahlung, die noch von dem neutralen Wasserstoff absorbiert wurde. Die kam nicht durch. Es gibt ja auch noch andere Strahlenkategorien, noch höher energetische Strahlung wird vielleicht auch eine Rolle gespielt haben, aber das war sozusagen das, was vor allem vorgeherrscht hat. Das, was wir als Licht bezeichnen, also unter dem ultravioletten Spektrum, das wurde zwar von diesem neutralen Wasserstoff nicht aufgehalten, aber. Aber der ganze Prozess war ja mit Sternenbildung verbunden und am Anfang hat sich eben sehr viel zusammengeklammert. Und du sagst es ja schon, die Sterne, die massereichen Sterne, also umso größer sie sind, umso schneller sterben sie. Das ist ja im Prinzip die Regel bei Sternen. Das heißt, die ganze Zeit sind Sterne entstanden, sind dann auch verhältnismäßig, also alles natürlich jetzt im universellen Maßstab, relativ schnell wieder verpufft und haben in dem Moment durch die Fusion die neuen Elemente erzeugt, die ja sozusagen alles auch ausmachen, was heutzutage für uns zumindest relevant ist, weil ohne Sauerstoff, Stickstoff und so weiter wären wir irgendwie nicht so wirklich da. Sprich, da ist dann diese Elementefabrik dann angeworfen worden und dadurch wurde all diese ganze Wasserstoffsuppe noch um weitere Elemente bereichert, die dann wiederum das normale Licht auch aufgehoben haben. Und von daher war das alles noch eher dunkel. Also es ist nicht so, dass jetzt überall komplett das Licht aus war, aber es ist auch nicht so die sternenklare Nacht gewesen, wie wir das heute sozusagen wahrnehmen.

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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Ja, das ist im Prinzip, wir wissen es nicht besser. Das heißt, wir nehmen das jetzt einfach an. Und dann hat man ja im Prinzip schon, man sagt, okay, so viele Sterne entstehen. Das ist das Licht, das sie produzieren. Dann kann ich jetzt noch ausrechnen, wenn ich sozusagen dieses intergalaktische Gas dazwischen habe, wie viel von dieser Strahlung absorbiert wird und ab welchem Punkt es vielleicht noch durchkommt teilweise. Das kann ich noch draufsetzen oder auch den Staub kann dann sagen, okay. Durch die Sternentstehung weiß ich ja, wie viele Sterne entstehen. Ich weiß auch, dass die massereichsten Sterne als sogenannte Supernovae explodieren. Und damit auch die Elemente, die in dem Stern dann geformt wurden, die schweren Elemente, die werden dann in der Galaxie sozusagen verteilt. Die den Staub bilden und dann auch diese Strahlungshäuser absorbieren. Das kann ich im Prinzip beschreiben mit dem Modell. Und ich kann auch weiter beschreiben, wenn diese massereichen Sterne explodieren, dann haben wir ungefähre Abschätzungen und Berechnungen, wie viel Energie dabei zum Beispiel frei wird. Und das ist eigentlich auch sehr spannend, weil diese Energie, man kann sich jetzt vorstellen, wo bleibt die? Die muss ja irgendwas machen. Wenn ich so einen massereichen Stern habe, der in so einem Gashaufen explodiert, dann werde ich wahrscheinlich so eine Schockwelle haben, die im Prinzip dieses Gas erstmal wegschiebt. Und wahrscheinlich auch dieses Gas erstmal nochmal erhitzen. Und beides kann man sich vorstellen, A wird das Gas dann wahrscheinlich weniger dicht und es wird wärmer. Und das sind beides Komponenten, die nicht sonderlich zuträglich sind für Sternentstehung. Also das heißt, wenn sowas dann passiert, dann formen sich wahrscheinlich in der nächsten Zeit erstmal nicht so viele Sterne. Und diese Mechanismen, die kann man sozusagen modellieren oder auch beschreiben.

Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Ja.

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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Ja.

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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Ja, was die Modelle gesagt haben, sie haben im Prinzip gesagt, wir haben eine bestimmte Anzahl von Galaxien, die eine bestimmte Leuchtkraft im Ultravioletten haben. Und die war ungefähr 200 bis 400 Millionen Jahre nach dem Urknall. Leicht niedriger die Anzahl von diesen leuchtstarken Galaxien verglichen mit dem, was jetzt das James-Webb-Space-Teleskop beobachtet hat oder wir sehen. Und jetzt gibt es eben so verschiedene Theorien dazu, warum das so ist. Und momentan wird stark geforscht, wenn wir jetzt zum Beispiel die Annahme ändern oder die, wie würde sich das auswirken? Würde das das erklären? Also zum Beispiel, was man machen kann, ist, die meisten Modelle bisher nehmen an, wir nehmen die Sternmassenverteilung von heute. Aber man kann sich dann auch überlegen, in den ersten Galaxien ist das wahrscheinlich nicht unbedingt der Fall. Weil wenn man zurück in die Sternentstehung geht, kann man sich ungefähr vorstellen, wenn man Sterne nur aus Wasserstoff und Helium produziert, dann sind das meistens sehr massereiche Sterne. Das heißt, sie sind sehr leuchtstark. Aber sobald wir dann auch noch andere Elemente haben, das Gas im Prinzip nicht nur Wasserstoff und Helium ist, sondern auch Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff hat, dann kann das Gas auch besser kühlen. Also es kann zu niedrigeren Temperaturen runtergekühlt werden und damit entstehen dann auch weniger massereiche Sterne. Und das ist natürlich heutzutage in unserer Milchstraße, haben wir eben viel mehr Generationen von Sternen, sind da schon entstanden und haben das auch angereichert und dementsprechend sind unsere Sterne auch weniger massiv oder weniger massereich. Und damit kann man sich vorstellen, wahrscheinlich bei den ersten Galaxien waren eben die meisten Sterne eigentlich viel massereicher, als was wir jetzt gerade in unseren Modellen annehmen.

Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Also Erkenntnisse vom James Webb Space Teleskop würde ich jetzt erstmal denken, eher unwahrscheinlich, bin mir natürlich nicht sicher, aber, wenn es um dunkle Materie und vor allem dunkle Energie geht, dann ist es hauptsächlich, Euclid, wo man sozusagen große Gebiete beobachtet und sich dann anschaut, wie die Verklumpung oder die Verteilung von Materie sich ändert. Im Bereich der Galaxien selber ist das Problem, dass unser Verständnis von der eigentlichen Gasphysik und die Sternentstehung so groß ist, dass es sehr schwer wird, viel über eigentlich dunkle Materie an sich zu lernen. Das Einzige, wo man eventuell was mit lernen kann, Aber das ist nicht unbedingt James Webb direkt oder vielleicht auch indirekt. Es ist im Prinzip der Zeitpunkt, wenn die ersten Galaxien sich formen. Das kann etwas zum Beispiel über die Eigenschaft von der dunklen Materie aussagen. Zum Beispiel, wie wir sagen, wie warm oder wie kalt sie ist. Das heißt im Prinzip, auf welchen Skalen kann sie klumpen. Und man kann sich vorstellen, wenn sie im Prinzip auf kleineren Skalen klumpen kann, dann bilden sich die ersten Galaxien viel früher im Universum. Also in der Hinsicht würde ich sagen, kann das James Webb Space Teleskop, wenn es sozusagen sagen kann, wann die ersten Galaxien sich vor dem Indirekt eine Aussage darüber machen. Aber ich würde das sehr mit Vorsicht genießen und eigentlich sagen, da braucht man eigentlich eher Experimente, die das nicht nur fokussiert auf einzelne Objekte, sondern die Gesamtheit der Objekte.

Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Ja.

Anne Hutter
1:44:41
Tim Pritlove
1:44:43
Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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Tim Pritlove
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Anne Hutter
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