Die Vorstellung eines Künstlers, wie das Universum aussehen könnte, wenn es zum ersten Mal Sterne bildet. Während wir noch kein direktes Bild haben, deuten die neuen indirekten Beweise der Radioastronomie auf die Existenz dieser Sterne hin, die sich einschalten, als das Universum zwischen 180 und 260 Millionen Jahre alt war. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC))

Die frühesten Beweise für Sterne zerschlagen Hubbles Rekord und weisen auf Dunkle Materie hin

Der indirekte Fund war völlig unerwartet und könnte dem James Webb-Weltraumteleskop sein erstes verlockendes Ziel geben.

Auf der Suche nach dem Verständnis unseres Universums und der Geschichte, woher wir im kosmischen Maßstab kommen, sind zwei der wichtigsten Fragen, woraus das Universum besteht und wie sich die ersten Sterne gebildet haben. Dies sind verwandte Fragen, da Sie nur dann Sterne bilden können, wenn Sie genug Materie haben, um durch Gravitation zusammenzubrechen, und selbst dann muss die Materie dicht und kühl genug sein, damit dieser Prozess funktioniert. Die frühesten Sterne, die wir jemals direkt entdeckt haben, stammen aus der Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops von der ultra-fernen Galaxie GN-z11, deren Licht zu uns kommt, als das Universum erst 400 Millionen Jahre alt war: 3% seines gegenwärtigen Alters. Heute, nach zwei Jahren sorgfältiger Analyse, wurde in Nature eine Studie von Judd D. Bowman und Mitarbeitern veröffentlicht, die eine indirekte Entdeckung des Sternenlichts ankündigte, als das Universum erst 180 Millionen Jahre alt war, wobei die Details die Existenz und Gegenwart von Dunkelheit bestätigen Angelegenheit.

Schematische Darstellung der Geschichte des Universums unter Hervorhebung der Reionisierung. Bevor sich Sterne oder Galaxien bildeten, war das Universum voller lichtblockierender, neutraler Atome. Während der größte Teil des Universums erst 550 Millionen Jahre später reionisiert wird, werden einige glückliche Regionen viel früher reionisiert. (S. G. Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center)

Zurück zu den ersten Sternen zu schauen ist eine komplizierte Aufgabe, da eine ganze Reihe von Faktoren gegen Sie arbeiten. Zum einen expandiert das Universum, was bedeutet, dass selbst das energiereichste ultraviolette Licht, das von Sternen emittiert wird, seine Wellenlänge streckt, wenn sich das Gewebe des Weltraums ausdehnt. Während dieses Licht zur Erde wandert, wird es in das sichtbare, nahe Infrarot und schließlich in das mittlere Infrarot verlagert, bevor es zu unseren Augen gelangt, wodurch es für die meisten Teleskope unsichtbar wird. Zum anderen ist das Universum zum frühesten Zeitpunkt mit neutralen Atomen gefüllt, was bedeutet, dass es Sternenlicht absorbiert (und für dieses undurchsichtig ist). Nur wenn das Universum weiterhin energiereichen, ionisierenden Photonen ausgesetzt wird, kann es transparent werden. Diese Kombination von Effekten bedeutet bereits, dass Hubble niemals die ersten Sterne sehen kann.

Die ersten Sterne des Universums werden von neutralen Atomen (meistens) Wasserstoffgases umgeben sein, die das Sternenlicht absorbieren. Der Wasserstoff macht das Universum für sichtbares, ultraviolettes und einen großen Teil des Infrarotlichts undurchlässig, aber Radio-Licht kann ungehindert durchgelassen werden. (Nicole Rager Fuller / National Science Foundation)

Wenn wir dieses Licht direkt sehen wollen, bleibt uns nichts anderes übrig, als sehr lange Wellenlängen mit einem hochempfindlichen Weltraumteleskop zu betrachten: genau das, was James Webb sein soll! Da James Webb jedoch noch vor Ort ist, seine letzte Testreihe durchläuft und für den Start vorbereitet ist, wird es noch mindestens 18 Monate dauern, bis er nach diesen frühen Sternen und Galaxien suchen kann. Aufgrund eines cleveren Effekts liefern die neutralen Atome, die Ultraviolett-, Optik- und Infrarot-Teleskope nur schwer durchschauen, tatsächlich ein Signal, das wir erkennen können: eine ganz bestimmte Emissionslinie im Radiobereich des Spektrums bei einer Wellenlänge von 21 Zentimetern . Die Physik, wie das funktioniert, ist spektakulär.

Eine junge, sternbildende Region in unserer eigenen Milchstraße. Beachten Sie, wie das Material um die Sterne ionisiert und mit der Zeit für alle Lichtformen transparent wird. Bis dahin absorbiert das umgebende Gas die Strahlung und sendet eigenes Licht mit verschiedenen Wellenlängen aus. (NASA, ESA und das Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration; Anerkennung: R. O’Connell (University of Virginia) und das WFC3 Scientific Oversight Committee)

Wenn Sie Sterne bilden, geben sie allen Atomen, Molekülen, Ionen und anderen Teilchen, die sie umgeben, Energie. In den frühesten Stadien des Universums sind 92% der Atome (nach Anzahl) Wasserstoffatome: ein einzelnes Proton mit einem einzelnen Elektron, das es umkreist. Das zuerst emittierte Sternenlicht ionisiert einen Teil der Atome, verursacht aber auch einen generischen Absorptionseffekt, bei dem die Elektronen in den Atomen in einen Zustand höherer Energie versetzt werden. Wenn sich Elektronen wieder an Protonen anlagern und / oder in den Grundzustand fallen, was sie spontan tun, besteht eine 50/50 Chance, dass sie mit ihren Spins entweder auf den Spin des zentralen Protons ausgerichtet oder gegen diesen ausgerichtet sind. Wenn sie sich gegen das Bündnis ausrichten, bleiben sie für immer dort. Wenn sie jedoch ausgerichtet sind, kippen sie schließlich um und strahlen ein ganz bestimmtes Energiemenge mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern aus.

Die 21-Zentimeter-Wasserstofflinie entsteht, wenn ein Wasserstoffatom, das eine Protonen- / Elektronenkombination mit ausgerichteten Spins (oben) enthält, zu anti-ausgerichteten Spins (unten) kippt und ein bestimmtes Photon mit einer sehr charakteristischen Wellenlänge emittiert. (Tiltec von Wikimedia Commons)

Dieses Photonenemissionsmerkmal sollte sich ungestört durch das Universum bewegen und zu unseren Augen gelangen, nachdem es rot verschoben und auf noch längere Wellenlängen gedehnt wurde. Zum ersten Mal wurde ein All-Sky-Durchschnitt der Funkemissionen auf eine beispiellose Empfindlichkeit gebracht, und diese extrem weit entfernte Signatur ist bemerkenswert aufgetaucht! Die gesammelten Daten zeigen, dass dieses neutrale Wasserstoffgas diese 21-cm-Linie über eine ganz bestimmte Zeitspanne abgibt: von einer Rotverschiebung von 15 auf 20 oder einem Alter des Universums zwischen 180 und 260 Millionen Jahren. Zum ersten Mal haben wir tatsächliche Daten, die darauf hinweisen, wann sich die frühesten Sterne in ausreichender Menge gebildet haben, um das neutrale Gas im Universum zu beeinflussen.

Der enorme

Die Daten zeigen auch eine Temperatur für das Gas an, die deutlich kühler erscheint, als unsere Standardmodelle vorhersagen. Dies könnte durch eine Reihe von Wegen erklärt werden, darunter:

  • Strahlung von Sternen und Sternenresten,
  • einen heißer als erwarteten kosmischen Strahlungshintergrund,
  • oder eine zusätzliche Kühlung aufgrund von Wechselwirkungen zwischen normaler Materie und dunkler Materie.

Die erste Möglichkeit ist wohlbekannt und erklärt diesen Effekt wahrscheinlich nicht, während die zweite mit unglaublicher Präzision gemessen wurde und leicht ausgeschlossen werden kann. Die dritte Erklärung könnte jedoch der lang ersehnte Hinweis auf die Partikeleigenschaften der dunklen Materie sein.

Die Bildung einer kosmischen Struktur sowohl auf großer als auch auf kleiner Ebene hängt stark davon ab, wie dunkle Materie und normale Materie interagieren. Bei den beobachteten kühlen Temperaturen des neutralen Gases, das die 21-cm-Linie emittiert, kann dies ein Hinweis darauf sein, dass dunkle Materie und normale Materie in Wechselwirkung treten, um das Gas auf neuartige, unerwartete Weise abzukühlen. (Illustris Collaboration / Illustris Simulation)

Aber wie bei allen Dingen ist es wichtig, Vorsicht walten zu lassen. Es wird erwartet, dass die Kühlung in einer Gaswolke anders abläuft, wenn sie nur aus Wasserstoff besteht als wenn sie schwere Elemente enthält. Alle zuvor beobachteten Wolken enthalten diese schweren Elemente. Sie haben frühere Generationen von Sternen geformt. Darüber hinaus haben wir extrem kalte Orte in unserer Galaxie, wie den Bumerang-Nebel, der nur etwa 1 K kälter ist als selbst die tiefsten Hohlräume im intergalaktischen Raum. Angesichts der Tatsache, dass die ersten Sterne wahrscheinlich sehr unterschiedlich waren als die heutigen, ist es vernünftig anzunehmen, dass wir möglicherweise nicht verstehen, wie die Strahlung von Sternen und Sternresten im frühen Universum so gut funktioniert, wie wir glauben, dass sie es tun.

Ein künstlerischer Eindruck von der Umwelt im frühen Universum, nachdem sich die ersten Billionen Sterne gebildet haben, gelebt haben und gestorben sind. Die Existenz und der Lebenszyklus von Sternen ist der primäre Prozess, der das Universum über Wasserstoff und Helium hinaus anreichert, während die Strahlung der ersten Sterne es für sichtbares Licht transparent macht. (NASA / ESA / ESO / Wolfram Freudling et al. (STECF))

Dies ist jedoch ein enormer Fortschritt und unser erstes Fenster in die Sterne, die im Universum jenseits der Grenzen von Hubble existierten. Es ist ein unglaublich eindrucksvoller und hoffnungsvoller Fund für Jäger dunkler Materie, was darauf hindeutet, dass es schließlich zu einer messbaren Wechselwirkung zwischen dunkler Materie und normaler Materie kommen kann. Und es gibt dem James Webb-Weltraumteleskop etwas zu suchen: Populationen früher Sterne und Galaxien, die sich in einem bestimmten Rotverschiebungsfenster einschalten.

Mit der Erkennung dieses 21-cm-Signals aus der Zeit des Universums zwischen 180 und 260 Millionen Jahren haben wir die Zeitachse der ersten Sterne und Galaxien weit über unsere direkten Erkennungsgrenzen hinaus verschoben. Trotzdem hilft uns dieser Fund, besser zu verstehen, wie das Universum so wurde, wie es heute ist. (Nicole Rager Fuller / National Science Foundation)

Während Astronomen normalerweise vorsichtig sind, hat dieser Fund Spekulationen ausgelöst. Avi Loeb, zitiert in der Associated Press, sagte: "Wenn bestätigt, verdient diese Entdeckung zwei Nobelpreise." Wie Katie Mack in Scientific American schrieb:

Es ist der früheste Hinweis auf irgendeine Art von Struktur im Universum und ein direktes Fenster in die Prozesse, die all das unauffällige Wasserstoffgas dazu führten, unter der Schwerkraft in Sterne und Galaxien und schließlich in Leben zu kondensieren.

Und am wichtigsten ist, dass dies ein Blick darauf ist, wie es ist, die Grenzen der Wissenschaft zurückzudrängen. Der erste Beweis für etwas Neues ist fast immer indirekt, schwach und schwer zu interpretieren. Diese ungeklärten Signale können jedoch erklären, was wir noch nicht vollständig verstanden haben: wie das Universum zu dem geworden ist, wie es heute ist. Zum ersten Mal hat uns das Universum einen Beobachtungshinweis gegeben, wo und wann und wonach zu suchen ist. Es liegt an uns, den nächsten Schritt zu tun.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.