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

Frühester Beweis für Sterne zerschmettert Hubbles Rekord und weist auf dunkle Materie hin

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

Auf der Suche nach einem 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 genug und kühl genug sein, damit dieser Prozess funktioniert. Die frühesten Sterne, die wir jemals direkt entdeckt haben, stammen aus der Abbildung des Hubble-Weltraumteleskops 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, in der eine indirekte Erkennung von Sternenlicht angekündigt wurde, als das Universum erst 180 Millionen Jahre alt war, wobei die Details die Existenz und Anwesenheit von Dunkelheit unterstützen 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 zu viel früheren Zeiten größtenteils reionisiert. (SG Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center)

Es ist eine komplizierte Aufgabe, zu den ersten Sternen zurückzukehren, da eine ganze Reihe von Faktoren gegen Sie arbeiten. Zum einen dehnt sich das Universum aus, was bedeutet, dass selbst das energiereichste ultraviolette Licht, das von Sternen emittiert wird, seine Wellenlänge gestreckt hat, wenn sich das Gewebe des Weltraums ausdehnt. Während dieses Licht zur Erde wandert, wird es ins sichtbare, nahe Infrarot und schließlich ins mittlere Infrarot verschoben, bevor es bei unseren Augen ankommt, was es für die meisten Teleskope unsichtbar macht. Zum anderen ist das Universum frühestens mit neutralen Atomen gefüllt, was bedeutet, dass es Sternenlicht absorbiert (und für dieses undurchsichtig ist). Nur wenn das Universum weiterhin energetischen, 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 im Universum werden von neutralen Atomen von (meistens) Wasserstoffgas umgeben sein, das das Sternenlicht absorbiert. Der Wasserstoff macht das Universum für sichtbares, ultraviolettes und einen großen Teil des Infrarotlichts undurchsichtig, aber Radiallicht kann ungehindert übertragen. (Nicole Rager Fuller / National Science Foundation)

Wenn wir dieses Licht direkt sehen wollen, haben wir keine andere Wahl, als sehr lange Wellenlängen mit einem hochempfindlichen Weltraumteleskop zu betrachten: genau das, wofür James Webb entwickelt wurde! Da James Webb noch am Boden 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-, optische und Infrarot-Teleskope nur schwer durchschauen können, tatsächlich ein Signal, das wir erkennen können: eine ganz bestimmte Emissionslinie im Funkbereich 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 wird und im Laufe der Zeit für alle Lichtformen transparent wird. Bis dies jedoch geschieht, absorbiert das umgebende Gas die Strahlung und emittiert eigenes Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen. (NASA, ESA und das Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble-Zusammenarbeit; Anerkennung: R. O'Connell (Universität von 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 gebracht werden. Wenn sich Elektronen wieder an Protonen anlagern und / oder in den Grundzustand fallen, was sie spontan tun, besteht eine 50/50-Chance, dass ihre Spins entweder ausgerichtet oder anti-ausgerichtet auf den Spin des zentralen Protons sind. Wenn sie nicht ausgerichtet sind, bleiben sie für immer dort. Wenn sie jedoch ausgerichtet sind, drehen sie sich schließlich um und emittieren ein sehr spezifisches Energiequantum mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern.

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

Dieses Photonenemissionsmerkmal sollte sich ungestört durch das Universum bewegen und nach Rotverschiebung und Dehnung auf noch längere Wellenlängen bei unseren Augen ankommen. Zum ersten Mal wurde ein All-Sky-Durchschnitt der Funkemissionen auf eine beispiellose Empfindlichkeit gebracht, und diese extrem weit entfernte Signatur hat sich bemerkenswert gezeigt! Die gesammelten Daten zeigen, dass dieses neutrale Wasserstoffgas diese 21-cm-Linie über eine ganz bestimmte Dauer emittiert: von einer Rotverschiebung von 15 bis 20 oder einem Alter des Universums zwischen 180 und 260 Millionen Jahren. Zum ersten Mal haben wir aktuelle Daten, die anzeigen, 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 sich als viel kühler herausstellt, als unsere Standardmodelle vorhersagen. Dies könnte durch eine Reihe von Wegen erklärt werden, darunter:

  • Strahlung von Sternen und Sternresten,
  • ein heißer als erwarteter kosmischer Hintergrund der Strahlung,
  • oder eine zusätzliche Abkühlung aufgrund von Wechselwirkungen zwischen normaler Materie und dunkler Materie.

Die erste Möglichkeit ist bekannt und wird diesen Effekt wahrscheinlich nicht erklären, 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 großen als auch auf kleinen Skalen 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 zusammenwirken, um das Gas auf neuartige, unerwartete Weise zu kühlen. (Illustris Collaboration / Illustris Simulation)

Aber wie bei allen Dingen ist es wichtig, Vorsicht walten zu lassen. Es wird erwartet, dass die Abkühlung innerhalb einer Gaswolke anders verläuft, wenn sie ausschließlich aus Wasserstoff besteht, als wenn sie schwere Elemente enthält. Alle zuvor beobachteten Wolken enthalten jedoch diese schweren Elemente. Sie haben frühere Generationen von Sternen gebildet. Darüber hinaus haben wir extrem kalte Orte in unserer Galaxie, wie den Bumerang-Nebel, der mit nur ~ 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 zu glauben, dass wir möglicherweise nicht verstehen, wie die Strahlung von Sternen und Sternresten im frühen Universum so gut funktioniert, wie wir glauben.

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 sind der primäre Prozess, der das Universum über Wasserstoff und Helium hinaus anreichert, während die von den ersten Sternen emittierte Strahlung es für sichtbares Licht transparent macht. (NASA / ESA / ESO / Wolfram Freudling et al. (STECF))

Dennoch ist dies ein enormer Fortschritt und unser erstes Fenster in die Sterne, die im Universum jenseits der Grenzen von Hubble existierten. Es ist ein unglaublich suggestiver und hoffnungsvoller Fund für Jäger der Dunklen Materie, was darauf hinweist, dass es möglicherweise doch eine messbare Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und normaler Materie gibt. 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, das aus der Zeit stammt, als das Universum zwischen 180 und 260 Millionen Jahre alt war, haben wir die Zeitachse der ersten Sterne und Galaxien nun weit außerhalb unserer direkten Erkennungsgrenzen verschoben. Dieser Fund hilft uns jedoch 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 eine Menge Spekulationen ausgelöst. Avi Loeb, zitiert in der Associated Press, sagte: "Wenn bestätigt, verdient diese Entdeckung zwei Nobelpreise", um die ersten Beweise für diese weit entfernten Sterne zu entdecken und um die Verbindung zur dunklen Materie herzustellen. 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 dazu führten, dass all das unscheinbare Wasserstoffgas unter der Schwerkraft zu Sternen und Galaxien und schließlich zum Leben kondensierte.

Und vor allem ist dies ein Blick darauf, wie es ist, die Grenzen der Wissenschaft zurückzudrängen. Der erste Beweis für etwas Neues ist fast immer indirekt, schwach und schwer zu interpretieren. Aber diese ungeklärten Signale können erklären, was wir noch nicht vollständig verstehen: wie das Universum so wurde, wie es heute ist. Zum ersten Mal hat uns das Universum einen Beobachtungshinweis gegeben, wo und wann und wonach wir suchen müssen. 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 veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.