Eine glänzende neue Idee, die zeigt, wie Galaxien das frühe Universum beleuchteten

Galaxien im frühen Universum waren viel heller als von Astronomen vorhergesagt, wie neue Erkenntnisse des Spitzer-Weltraumteleskops zeigen. Uralte Galaxien leuchten im Infrarotlicht, das im frühesten Zeitalter der Galaxien und Sterne seine Quelle verlassen hat. Astronomen glauben, dass diese Entdeckung helfen könnte, ein faszinierendes Rätsel aus der frühesten Ära unseres Kosmos zu lösen.

Nach dem Urknall war das Universum mit Energie gefüllt, aber die 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 "Das dunkle Zeitalter" bezeichnen.

Die Vorstellung eines Künstlers, wie eine frühe Galaxie ausgesehen haben könnte. Eine aktive Sternentstehung in Kombination mit häufigen Sterntodesfällen hätte das Gas zwischen den Sternen beleuchtet, die Galaxie weitgehend undurchsichtig gemacht und diese Körper mit geringer Struktur belassen. 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 zu entwickeln begannen. Nach weiteren 500 Millionen Jahren erleuchtete diese Reionisierung das Universum und verwandelte den Kosmos von einer dunklen Weite in einen brillanten Ort, den wir heute kennen. Wie es zu einer 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 wichtiger Hinweis sein “, sagte Stephane De Barros von der Universität Genf in der Schweiz.

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

Mit dem Spitzer-Weltraumteleskop wurde ein Rückblick auf die frühesten Galaxien im Kosmos, 13 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, erstellt. Die Untersuchung von 135 Galaxien ergab, dass diese alten Körper, die von jungen, massereichen Sternen bevölkert wurden, bei zwei Infrarotlichtfrequenzen 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 sehen kann, die dem Beginn der Zeit so nah sind. Aber die Natur ist voller Überraschungen “, sagte Michael Werner, Spitzer-Projektwissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA.

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

Um die Geschichte aufzuhellen ...

Nach der Bildung der Materie war die einzige elektromagnetische (em) Strahlung, die das Universum durchdringen konnte, Radiowellen und sichtbares Licht, während em-Strahlung mit kürzeren Wellenlängen - zum Beispiel ultraviolettes Licht - von Wasserstoffatomen eingefangen wurde. Dabei wurden diese Atome von ihren Elektronen befreit und Ionen erzeugt.

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

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

Ich sehe es nun deutlich

„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 heutigen Galaxien. Es wird Aufgabe des James Webb Space Telescope sein, die genauen 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 im Jahr 2021 starten.