Mit Hilfe des Weltraumteleskops Hubble blickten Astronomen um Adi Zitrin vom California Institute of Technology auf den großen Galaxienhaufen Abell 2744 – auch Pandoras Galaxienhaufen genannt. Die aktuelle Entfernung zu dem Objekt beträgt rund vier Milliarden Lichtjahre, und seine Masse krümmt den Raum in seiner Umgebung derart, dass das Licht von dahinterliegenden Quellen verbogen und verstärkt wird. So lassen sich noch weiter entfernte leuchtschwache Galaxien beobachten. Dieser Gravitationslinseneffekt verhalf den Forschern zur Entdeckung einer Galaxie aus dem Anfangsstadium des Universums – sie entstand rund 490 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Der Abstand zu weit entfernten Galaxien lässt sich anhand der Rotverschiebung ermitteln. Die Expansion des Universums wirkt sich auch auf das Licht auf seinem Weg von der Quelle zum Beobachter aus, wodurch die Wellenlänge der Strahlung in ihrer Länge gedehnt wird. Diese Verschiebung im Spektrum liefert zusammen mit einem kosmologischen Modell die Entfernung zur Quelle. Schwierig wird die Methode bei der Analyse weit entfernter Objekte, die nur sehr leuchtschwach sind. Der Gravitationslinseneffekt kann in diesen Fällen hilfreich sein, denn große Massenansammlungen, die sich zwischen der eigentlichen Quelle und dem Beobachter befinden, wirken wie eine lichtverstärkende Linse.

Die leuchtschwache Galaxie, die jetzt auf den Hubble-Aufnahmen entdeckt wurde, erscheint durch die Einwirkung des massiven Galaxienhaufens im Vordergrund rund zehnmal heller. Nur so war es den Forschern möglich, ihre Rotverschiebung von z = 9,8 zu bestimmen. Dies entspricht einer Lichtlaufzeit von mehr als 13 Milliarden Jahren und rückt das Objekt in die Epoche der ersten Sterne und Galaxien rund 490 Millionen Jahre nach der Entstehung des Universums. Obwohl bereits einige Galaxien bei diesen extremen Entfernungen beobachtet wurden, sticht das nun entdeckte Objekt wegen seiner relativ geringen Größe aus der Gruppe heraus. Die Galaxie misst nur rund 850 Lichtjahre im Durchmesser und weist eine Masse von nur rund 40 Millionen Sonnenmassen auf. Der Vergleich mit unserem 100-fach größeren Milchstraßensystem lässt die Galaxie somit klein erscheinen. Hinsichtlich ihrer Größe weist sie eine typische Sternentstehungsrate von rund einer Sonnenmasse in drei Jahren auf und ist vermutlich ein Vertreter der ersten kleinen, aber im frühen Universum reichlich vorhandenen Sternansammlungen. Diese wiesen noch keine klaren Strukturen auf, sondern bestanden aus den ersten Verklumpungen von Materie, in denen sich die ersten Sterne bildeten.

Auf der Hubble-Aufnahme erscheint die Galaxie mehrfach. Diese Bilder ergeben sich aus der Linsenwirkung des Galaxienhaufens im Vordergrund – sie sagen etwas über die Massenverteilung innerhalb des Galaxienhaufens aus, zudem lassen sie auch auf den Abstand zwischen der Linse und der Quelle schließen. Mit wachsender Entfernung vergrößert sich nämlich auch die Winkeldistanz zwischen den Mehrfachbildern auf der Aufnahme. Das nutzten die Astronomen: Sie bestätigten anhand der drei Bilder der leuchtschwachen Galaxie die aus der Rotverschiebung berechnete Entfernung und schlossen durch die Kombination der beiden Methoden eine signifikante Fehleinschätzung zu 95 Prozent aus. Damit gelang ihnen die Entdeckung einer Galaxie bei einer rekordverdächtigen Entfernung, und sie konnten zeigen, dass Gravitationslinsen – sofern ihre Massenverteilung ausreichend bekannt ist und modelliert werden kann – prinzipiell für eine Entfernungsbestimmung zur Quelle genutzt werden können.