Eine Ansicht der entfernten Sterne und der Galaxien gesehen durch nahe gelegene Gaswolken. Bildnachweis: ESO / M. Kornmesser.

Die ersten Sterne im Universum sind für das menschliche Auge für immer unsichtbar

Warum wir selbst bei unendlicher Vergrößerung niemals die ersten Sterne sehen würden?

„Verweile bei der Schönheit des Lebens. Beobachte die Sterne und sieh dir an, wie du mit ihnen rennst. “–Marcus Aurelius

Stellen Sie sich den Nachthimmel so vor, wie Sie ihn kennen. Weit weg von den Städten, in einer mondlosen Nacht, in den dunkelsten Gegenden, die Sie jemals erlebt haben. Vielleicht legst du dich zurück ins Gras und schaust in den Himmel. Du siehst auf, die Luft ist kühl und der Himmel klar: Es sind überhaupt keine Wolken zu sehen. Was ist es, was Sie wahrscheinlich sehen werden?

Der nächtliche Himmel, wie von Trysil, Norwegen gesehen. Bildnachweis: flickr-Benutzer Timothy Boocock, unter einem c.c.-by-s.a. 2.0 Lizenz.

Ja, es gibt Planeten, helle und dunkle Sterne und sogar die Milchstraße über uns. Aber vielleicht ist das Auffälligste am Nachthimmel nicht das Vorhandensein dieser wenigen, zerstreuten Lichter, sondern die Tatsache, dass der Himmel selbst an fast jedem Ort, auf den Sie zeigen können, dunkel ist. Wenn Sie eine Minute darüber nachdenken, ergibt es nicht viel Sinn, dass dies der Fall sein sollte.

Wenn das Universum wirklich, wirklich voller Sterne wäre - mit Lichtpunkten in alle Richtungen -, dann würde man davon ausgehen, dass Ihre Sichtlinie, egal wohin Sie schauen, irgendwann gegen einen Stern stoßen würde. Und wenn das passiert ist, werden Sie nirgendwo "dunkel" sehen, wo Sie hinschauen. Jeder Punkt würde irgendwann mit Licht gefüllt sein, egal wie weit der Stern, die Galaxie oder ein anderer Lichtpunkt entfernt war.

Das Herzstück des Kugelsternhaufens Omega Centauri. So würde der Nachthimmel aussehen, wenn überall Sterne wären. Bildnachweis: NASA / ESA und das Hubble Heritage Team (STScI / AURA), über http://www.spacetelescope.org/images/opo0133a/.

Dies war eines der großen Paradoxe des 19. Jahrhunderts: das Olbers-Paradoxon, das zeigte, dass die Idee eines unendlichen Universums mit einer unendlichen Anzahl von Sternen, die sich über diesen Raum ausbreiten, nicht mit dem dunklen Nachthimmel vereinbar war, den wir alle sehen konnten.

Die Lösung für dieses Paradoxon ist natürlich, dass wir, wenn wir das ferne Universum betrachten, tatsächlich in die Zeit zurückblicken und da das Universum in einem heißen, dichten, einheitlicheren frühen Zustand existierte, gab es eine Zeit vor der Das Universum enthielt keine Sterne, da es einige Zeit dauerte, bis die Gravitation dieses Urgas zum ersten Mal in Sterne zerlegte. Wenn Sie über eine bestimmte Entfernung hinausblicken, werden Sie nie einen einzigen Stern sehen.

Die Geschichte der Reionisierung und Sternentstehung unseres Universums. Bildnachweis: NASA / S. G. Djorgovski & Digital Media Center / Caltech.

Nach dem Urknall war das Universum heiß, dicht und gleichmäßig, dehnte sich aber auch aus und kühlte ab. Mit der Zeit ist das Universum etwa 380.000 Jahre alt und so abgekühlt, dass es zum ersten Mal neutrale Atome bildet. Es gibt jedoch zwei Hindernisse, etwas zu sehen:

  1. Es gibt nichts zu sehen, bis wir anfangen, etwas zu erschaffen, das Licht aussendet.
  2. Selbst wenn Sie das tun, muss das Universum transparent werden.

Obwohl diese beiden Probleme - die Entstehung der ersten Sterne und das durchsichtige Universum - häufig als „dunkle Zeitalter“ zusammengeführt werden, handelt es sich um zwei separate Probleme, die das Universum lösen muss.

Die Cygnus-Mauer im nordamerikanischen Nebel, NGC 7000. Bildnachweis: Ken Crawford, unter einer internationalen Lizenz von ca. bis ca. bis 4,0.

Erstens haben Sie einfach nichts zu sehen, bis Sie zum ersten Mal Sterne bilden. Während das Universum fast gleichförmig begann, gibt es winzige Unvollkommenheiten, einschließlich einiger Regionen, die mit etwas mehr Materie als dem Durchschnitt beginnen. Mit der Zeit zieht die Gravitation immer mehr Materie in diese überfüllten Regionen und lässt sie zu Materieklumpen wachsen.

Es dauert Dutzende von Millionen von Jahren, aber nach einiger Zeit werden diese Klumpen so groß, dass die Schwerkraft sie unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenzubrechen beginnt. Und wenn die Kerne dieser Atom- und Molekülklumpen dicht genug werden, kann der Prozess der Kernfusion - das Verbrennen von Wasserstoffbrennstoff zu Helium - endlich stattfinden!

Eine junge, sternbildende Region in unserer eigenen Milchstraße. Bildnachweis: NASA, ESA und die Zusammenarbeit zwischen Hubble Heritage (STScI / AURA) und ESA / Hubble; Anerkennung: R. O’Connell (Universität von Virginia) und das WFC3 Scientific Oversight Committee.

Diese Orte der Kernfusion werden zu den Kernen der allerersten Sterne im Universum, die heiß und hell brennen und das erste sichtbare Licht aussenden, das das Universum seit den frühen Stadien des heißen Urknalls gesehen hat. Dies geschieht nach nur 50 Millionen Jahren in der Geschichte des Universums, einer unglaublich kurzen Zeit bis zu den ersten Sternen. Aber es gibt ein Problem: Keiner dieser Sterne ist für uns tatsächlich sichtbar!

Der dunkle Nebel Barnard 68, der heute als Molekülwolke bekannt ist und als Bok-Globule bezeichnet wird. Bildnachweis: ESO, über http://www.eso.org/public/images/eso0102a/.

Sicher, die Sterne strahlen Licht aus, aber auch die Sterne hinter dem „dunklen Nebel“ oben, Barnard 68. Dieser Nebel erscheint so dunkel, weil das Licht der Sterne blockiert ist! Warum ist das so? Weil die dort vorhandenen Atome und Moleküle die richtige physikalische Größe haben, um sichtbares Licht zu absorbieren - und damit undurchsichtig zu erscheinen.

Während einzelne Atome selbst nur bestimmte atomare Übergänge haben, bei denen sie Licht absorbieren können, können sie, wenn sie in allerlei komplizierten Konfigurationen miteinander verbunden sind, tatsächlich das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts blockieren. Und genau diese Art von Undurchsichtigkeit wird passieren, wenn sich die ersten Sterne bilden: Das Universum erschafft vielleicht Licht, aber es gibt keine Möglichkeit, zu unseren Augen zu gelangen.

Wie kommen wir da raus?

Molekülwolke BHR 71. Bildnachweis: J. Alves (ESO), E. Tolstoi (Groningen), R. Fosbury (ST-ECF) und R. Hook (ST-ECF), VLT.

Sie müssen diese Atome ionisieren! Oder genauer gesagt, Sie müssen sie reionisieren, da sie vorher einmal ionisiert wurden - zurück, bevor sie überhaupt neutral wurden. Dies geschieht jedoch nicht schnell. Dies ist ein Prozess, für den Milliarden von Sternen benötigt werden, um sich zu bilden, ultraviolette, ionisierende Strahlung zu emittieren und mehr als 99% der neutralen Atome im Universum zu treffen. Es ist ein schrittweiser Prozess, der rund 550 Millionen Jahre in Anspruch nimmt!

Dies bedeutet jedoch nicht, dass es 550 Millionen Jahre dauert, bis sich die ersten Sterne bilden. Nach unseren besten Modellen der Strukturbildung bilden sich die allerersten Sterne erst zwischen 50 und 100 Millionen Jahre nach dem Urknall. Die allerersten Sterne haben sich viel früher gebildet, als wir jemals sehen konnten, und wir haben diese Sterne nicht vorhergesehen - und sie brannten nicht lange genug heiß -, um das Universum zu reionisieren und transparent für Licht zu machen, bis 550 Millionen Jahre waren vergangen.

Eine Illustration der ersten Sterne, die sich im Universum einschalten. Bildnachweis: NASA.

Im Universum reicht es nicht aus, einfach „Licht sein zu lassen“, um die ersten Sterne zu sehen: Dieses Licht muss sich frei durch den Raum bewegen können! Im sichtbaren Licht gibt es keine Möglichkeit, sie zu sehen. Egal wie gut das Hubble-Weltraumteleskop jemals ist, egal wie lange es auf diese Flecken des Himmels starrt, es wird niemals zu den ersten Sternen zurückblicken, weil das Universum für sichtbares Licht immer noch undurchsichtig ist.

Aber es gibt Hoffnung, und das James Webb-Weltraumteleskop hat das Potenzial, unsere Perspektive von der Hoffnung in die Realität umzuwandeln.

Dieselbe Bok-Kugel - Barnard 68 - wie zuvor gezeigt, mit Ausnahme einer teilweise Infrarot-Ansicht, die rechts gezeigt ist. Bildnachweis: European Southern Observatory (ESO).

Durch Betrachten längerer Lichtwellenlängen können diese staubigen Konfigurationen von Atomen und Molekülen tatsächlich für diese Wellenlängen transparent sein. Auch wenn Hubble diese Sterne möglicherweise nicht sehen kann, kann James Webb, der infrarote (und recht lange infrarote) Wellenlängen betrachtet, bis in Epochen vordringen, in denen das Universum für sichtbares Licht undurchlässig war.

Mit anderen Worten, wenn JWST in nur zwei Jahren startet, können wir möglicherweise wirklich die ersten Sterne im Universum untersuchen, nicht nur Hunderte Millionen Jahre später, wenn das Universum für sichtbares Licht transparent wird. Die ersten Sterne im Universum mögen für einige Zeit unsichtbar sein, aber das ist ein Fehler unserer Augen, kein Fehler des Lichts!

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!