Eine strahlend neue Idee, die zeigt, wie Galaxien das frühe Universum erleuchteten

Galaxien im frühen Universum waren weitaus heller als von Astronomen vorhergesagt, wie neue Erkenntnisse aus dem Spitzer-Weltraumteleskop zeigen. Alte Galaxien leuchten im Infrarotlicht, das im frühesten Zeitalter der Galaxien und Sterne ihre Quelle verlassen hat. Astronomen glauben, dass dieser Befund dazu beitragen könnte, ein faszinierendes Rätsel aus der frühesten Ära unseres Kosmos zu lösen.

Nach dem Urknall war das Universum voller Energie, aber Materie war noch nicht entstanden. Die erste Materie, die entstand, war in Form von ionisiertem Wasserstoff und Helium, und Licht begann den Kosmos zu füllen. Ungefähr 300.000 Jahre nach dem Urknall wurde dieses ionisierte Gas jedoch elektrisch neutral, und das Universum trat in eine Ära ein, die Kosmologen als „The Dark Ages“ bezeichnen.

Die Vorstellung eines Künstlers, wie eine frühe Galaxie ausgesehen haben könnte. Eine aktive Sternentstehung in Kombination mit häufigen Sterbefällen hätte das Gas zwischen den Sternen beleuchtet, die Galaxie weitgehend undurchsichtig gemacht und diese Körper mit wenig Struktur zurückgelassen. Bildnachweis: James Josephides (Swinburne Astronomy Productions)

Am Anfang…

Die Epoche der Reionisierung begann 500 Millionen Jahre nach dem Urknall, zu einer Zeit, als Quasare Gestalt annahmen und sich Galaxien entwickelten. Langsam, über weitere 500 Millionen Jahre, erleuchtete diese Reionisierung das Universum und verwandelte den Kosmos von einer dunklen Weite in einen brillanten Ort, den wir heute kennen. Wie es zur Reionisierung kam, bleibt jedoch ein Rätsel.

„Es ist eine der größten offenen Fragen in der Beobachtungskosmologie. Wir wissen, dass es passiert ist, aber was hat es verursacht? Diese neuen Erkenntnisse könnten ein großer Hinweis sein “, sagte Stephane De Barros von der Universität Genf in der Schweiz.

Ein zusammengesetztes Bild eines Galaxienfeldes, aufgenommen von den Hubble- und Spitzer-Weltraumteleskopen. Die ältesten, dunkelsten Galaxien sind eingekreist. Das nebenstehende Bild unten rechts zeigt eine Nahaufnahme einer dieser alten Sternenfamilien mit Langzeitbelichtung. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / ESA / Spitzer / P. Oesch / S. De Barros / I. Labbe

Das Spitzer-Weltraumteleskop wurde verwendet, um auf die frühesten Galaxien im Kosmos zurückzublicken, die 13 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Die Untersuchung von 135 Galaxien ergab, dass diese alten Körper, die von jungen, massiven Sternen bevölkert waren, in zwei Frequenzen von Infrarotlicht überraschend energiereich waren. Diese Wellenlängen stimmten mit Licht überein, das durch ionisierende Strahlung erzeugt wurde, die mit Wasserstoff und Sauerstoff in Galaxien wechselwirkt.

„Wir hatten nicht erwartet, dass Spitzer mit einem Spiegel, der nicht größer als ein Hula-Hoop ist, Galaxien so nah am Beginn der Zeit sehen kann. Aber die Natur steckt voller Überraschungen “, sagte Michael Werner, Spitzer-Projektwissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA.

Eine grafische Darstellung der Geschichte des Universums. Bildnachweis: SG Djorgovski et al./Digital Media Center, Caltech

Um die Geschichte aufzuhellen ...

Nach der Bildung von Materie waren Radiowellen und sichtbares Licht die einzige elektromagnetische (em) Strahlung, die das Universum durchdringen konnte, während em Strahlung mit kürzeren Wellenlängen - beispielsweise ultraviolettes Licht - von Wasserstoffatomen eingefangen wurde. Dabei wurden diese Atome ihrer Elektronen beraubt, wodurch Ionen erzeugt wurden.

Ein Beweis für diese Epoche der Reionisierung ist der Rückblick der Astronomen auf die frühesten Tage des Kosmos, während die Quelle der enormen Energiemenge, die erforderlich ist, um diese Veränderung im gesamten Universum voranzutreiben, unbekannt bleibt. Sterne oder Galaxien mögen dafür verantwortlich gewesen sein, aber die Energieabgabe dieser Körper hätte es erforderlich gemacht, dass diese Körper viel leistungsfähiger sind als heute. Eine Theorie besagt, dass Quasare - Galaxien mit unglaublich starken supermassiven Schwarzen Löchern - möglicherweise die Energie erzeugt haben, die zur Ionisierung der Materie des Kosmos erforderlich ist.

„Die Geschichte bisher: Am Anfang wurde das Universum erschaffen. Dies hat viele Menschen sehr wütend gemacht und wurde allgemein als schlechter Schachzug angesehen. “
- Douglas Adams, Das Restaurant am Ende des Universums

Jetzt kann ich klar sehen

„Diese Ergebnisse von Spitzer sind sicherlich ein weiterer Schritt zur Lösung des Rätsels der kosmischen Reionisierung. Wir wissen jetzt, dass die physikalischen Bedingungen in diesen frühen Galaxien sehr unterschiedlich waren als in typischen Galaxien heute. Es wird Aufgabe des James Webb-Weltraumteleskops sein, die detaillierten Gründe dafür herauszufinden “, sagte Pascal Oesch von der Universität Genf.

Das James Webb-Weltraumteleskop, das viele der Fragen beantworten kann, die noch aus der frühesten Ära der Materie im Universum stammen, soll 2021 auf den Markt kommen.