Die Vorstellung eines Künstlers, wie das Universum aussehen könnte, wenn es zum ersten Mal Sterne bildet. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / R. Verletzt (SSC).

Warum Hubble niemals die ersten Sterne sehen wird

Selbst wenn es unendlich lange gedauert hätte, wären sie immer unsichtbar.

"Jetzt ist die Welt zu Bett gegangen, Dunkelheit verschlingt meinen Kopf nicht, ich kann durch Infrarot sehen, wie ich die Nacht hasse." - Douglas Adams

Stellen Sie sich vor, wie das Universum nach dem Urknall ausgesehen haben muss, bevor sich die ersten Sterne gebildet haben. Mit zunehmender Ausdehnung des Weltraums wird es für Partikel immer schwieriger, sich gegenseitig zu finden und zu kollidieren, und die Energie pro Partikel nimmt ab, da das Universum mit zunehmender Ausdehnung abkühlt. Nach 380.000 Jahren ist es kalt genug, dass Atomkerne und Elektronen sich stabil verbinden und neutrale Atome bilden. Im Laufe der Jahre ziehen Regionen, die überdurchschnittlich dicht sind, immer mehr Materie in die Gravitation, was zu Klumpen und Clustern molekularer Gaswolken führt. Je dichter eine Region wird, desto größer wird ihre Anziehungskraft und desto schneller wächst sie. Irgendwann, im Brennpunkt all dieser Verklumpungen, wird das Gas so dicht und heiß, dass sich die ersten Kernfusionsreaktionen entzünden. Und da dies an verschiedenen Orten und zu verschiedenen Zeiten geschieht, bildet das Universum seine allerersten wahren Sterne.

Aber das ist Licht, das Teleskope wie Hubble niemals sehen können. Egal wie leistungsfähig ein optisches Weltraumteleskop wie Hubble ist, es ist von Grund auf eingeschränkt und kann diese Sterne nicht sehen. Dafür gibt es zwei Hauptgründe.

Zunächst einmal mögen die ersten Sterne sehr hell und heiß sein, aber alle neutralen Atome - das Gas, das das Universum durchdringt - lassen dieses Licht nicht einfach durch. Neutrale Atome absorbieren außerordentlich gut elektromagnetische Strahlung, insbesondere UV- und sichtbares Licht. Dies ist die überwiegende Mehrheit dessen, was diese jungen Sterne emittieren. Um die ersten Sterne zu sehen, müsste bei einem Teleskop wie Hubble dieses neutrale Gas durch etwas ersetzt werden, das für dieses Licht durchlässig ist: ein ionisiertes, diffuses Plasma. Daraus besteht das intergalaktische Medium heute, aber es hat Hunderte von Millionen von Jahren gedauert, bis es dort ankam.

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

Wir nennen diesen Prozess „Reionisierung“, weil das Universum zum zweiten Mal ionisiert werden muss: einmal für die ersten 380.000 Jahre, als es zu heiß war, um neutrale Atome zu bilden, und jetzt zum zweiten Mal, wo die Sterne des Universums die ionisieren jetzt neutrales Gas. Das Problem ist, dass dies ein Prozess ist, der Hunderte von Millionen von Jahren in Anspruch nimmt. Schätzungen gehen von 500 bis 700 Millionen Jahren aus, bis der Prozess abgeschlossen ist. Aus jeder Perspektive - auch von der Erde aus - wird es immer ein paar Taschen geben, in denen die Reionisierung früher stattfindet, und hier haben wir die Möglichkeit, weiter entfernte Sterne und Galaxien zu sehen als an jedem anderen Ort. In der Tat hat Hubble auf diese Weise die bislang am weitesten entfernte Galaxie entdeckt!

Hubble bestätigt spektroskopisch die bisher am weitesten entfernte Galaxie. Bildnachweis: NASA, ESA, B. Robertson (Universität von Kalifornien, Santa Cruz) und A. Feild (STScI).

Aber es kann wahrscheinlich nicht viel weiter gehen, denn an jedem anderen Ort würde es zu viel von diesem neutralen Gas abgeben, das die jungen Sterne dahinter verdeckt. Je weiter Sie zurückgehen, desto mehr stört das intergalaktische Medium Ihr Licht und macht es schwierig, es zu beobachten. Aber auch wenn Hubble dieses Gas nicht zu bewältigen hatte, gibt es ein zweites großes Problem: Jedes Licht, das das Universum erzeugt, wird rot verschoben und seine Wellenlänge wird gedehnt, wenn sich das Raumgefüge ausdehnt. Wenn die ersten Sterne mit einer Rotverschiebung von 20, 30 oder 50 erstellt wurden, bedeutet dies, dass ihre Wellenlängen 21, 31 oder 51 Mal so lang sind wie der Moment, in dem das Licht erstellt wurde.

Wenn sich das Gewebe des Universums ausdehnt, werden auch die Wellenlängen entfernter Lichtquellen gedehnt. Im Falle der ersten Sterne kann dies fernes UV-Licht vollständig in mittleres IR-Licht umwandeln. Bildnachweis: E. Siegel.

Das entspricht natürlich einer sehr langen Zeit. Unser Universum ist heute 13,8 Milliarden Jahre alt, und ich möchte, dass Sie es für diese Zwecke als 13,8 Milliarden Jahre alt ansehen. Der Grund dafür ist, dass das Universum zu Zeiten zwischen 500 und 700 Millionen Jahren für optisches Licht transparent wird. Die am weitesten entfernte bekannte Galaxie befindet sich in einer seltenen „Tasche“, in der das Universum nur 400 Millionen Jahre alt ist. Verschiedene Schätzungen für die Entstehungszeit der allerersten Sterne bei Rotverschiebungen von 20, 30 und 50 entsprechen dem Alter des Universums von 177 Millionen, 98 Millionen bzw. 46 Millionen Jahren. Selbst wenn das Universum von Anfang an transparent wäre, würden die von uns gesuchten Wellenlängen des Lichts - die starke Lyman-α-Emissionslinie bei 121,567 Nanometern (UV-Licht) - auf Wellenlängen von 2.553 nm, 3.769 nm oder 6.200 nm rotverschoben. je nachdem wie früh sich diese sterne gebildet haben.

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. 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.

Der am weitesten entfernte Infrarotfilter von Hubble kann nur 1.600 nm erreichen, sein Nachfolger, das James Webb Space Telescope (Start 2018!), Wird jedoch bis zu einer Wellenlänge von 28.000 nm reichen! Zum Vergleich: UV-Strahlung ist kleiner als 400 nm, sichtbar zwischen 400 und 700 nm, nahes IR zwischen 700 nm und etwa 5.000 nm und mittleres IR zwischen 5.000 nm und etwa 25.000–40.000 nm.

Das James Webb-Weltraumteleskop im Vergleich zu Hubble in der Größe (Haupt) und zu einer Reihe anderer Teleskope (Einsatz) in Bezug auf Wellenlänge und Empfindlichkeit. Bildnachweis: NASA / JWST-Team.

Das bedeutet nicht unbedingt, dass James Webb die ersten Sterne mit Sicherheit sehen kann, da der Großteil des emittierten Lichts in diesen großen Entfernungen und frühen Zeiten immer noch von neutralem Gas absorbiert wird. Obwohl das Licht heute im Infrarotbereich ist, der einfach durch dieses neutrale Gas und den Staub dringt, ist es einfach zu viel, um durchzulassen, wenn es sich noch im ultravioletten und sichtbaren Bereich des Spektrums befindet . Aber es bedeutet, dass wir eine Chance haben, wo Hubble keine hat. Wir haben die Grenzen von Hubble und das Glück, eine Galaxie (und ein Sternenlicht) zu finden, seitdem das Universum nur 400 Millionen Jahre alt war, so gut wie überschritten. Um zu den wahren ersten Sternen im Alter von weniger als 200 Millionen Jahren (und vielleicht schon 40 bis 50 Millionen Jahren) zu gelangen, benötigen Sie ein Infrarot-Teleskop, insbesondere ein Infrarot-Teleskop, das nicht den Grenzen unseres Lebens unterworfen ist Atmosphäre.

Die Durchlässigkeit oder Opazität des elektromagnetischen Spektrums durch die Atmosphäre. Beachten Sie alle Absorptionsmerkmale im Infrarot, weshalb es am besten aus dem Weltraum betrachtet wird. Bildnachweis: NASA.

Das schaffen wir in nur zwei Jahren! Hubble sieht vielleicht nie die ersten Sterne, aber es bringt uns näher als je zuvor. Wenn die nächste Generation von Weltraumteleskopen online geht, ist es sicher, dass wir in der Geschichte des Universums, in der es um die Bildung von Sternen geht, noch weiter zurückblicken können. Und wenn wir Glück haben, schaffen wir es vielleicht bis zu den ersten zurück. Selbst wenn dies nicht gelingt, wird die zukünftige 21-cm-Astronomie, die auf dem Wasserstoff-Spin-Flip-Übergang basiert, eine Chance haben. Egal wie oder wann, wir sind auf dem Weg, die wahren ersten Sterne im Universum zu entdecken. Ich kann es kaum erwarten, es herauszufinden!

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!