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 dauern würde, wären sie immer unsichtbar.

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

Stellen Sie sich vor, wie das Universum nach dem Urknall gewesen sein muss, bevor sich die ersten Sterne gebildet haben. Wenn sich der Raum ausdehnt, wird es für Teilchen immer schwieriger, sich zu finden und zu kollidieren, und die Energie pro Teilchen nimmt ab, da sich das Universum abkühlt, wenn es sich ausdehnt. Nach 380.000 Jahren ist es kühl genug, dass Atomkerne und Elektronen stabil zusammenbinden und neutrale Atome produzieren können. Im Laufe der Jahre ziehen Millionen überdurchschnittlich dichter Regionen immer mehr Materie in die Gravitation, was zu Klumpen und Clustern molekularer Gaswolken führt. Wenn eine Region dichter wird, wird ihre Anziehungskraft noch größer und die Wachstumsrate steigt. Irgendwann, im Mittelpunkt all dieser Verklumpungen, wird das Gas dicht genug und heiß genug, dass sich die ersten Kernfusionsreaktionen entzünden. Und da dies an verschiedenen Orten und zu verschiedenen Zeiten geschieht, bildet das Universum seine ersten wahren Sterne.

Aber das ist Licht, das Teleskope wie Hubble niemals sehen können. Egal wie leistungsfähig ein optisches Weltraumteleskop wie Hubble wird, es ist grundlegend eingeschränkt und vom Sehen dieser Sterne abgeschnitten. 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, was die überwiegende Mehrheit dessen ist, was diese jungen Sterne emittieren. Um die ersten Sterne zu sehen, müsste ein Teleskop wie Hubble dieses neutrale Gas durch etwas ersetzen, das für dieses Licht transparent ist: etwas wie ein ionisiertes, diffuses Plasma. Daraus besteht das intergalaktische Medium heute, aber es dauerte Hunderte Millionen Jahre, bis es dort ankam.

Die Geschichte der Reionisierung und Sternentstehung unseres Universums. Bildnachweis: NASA / SG 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 das ionisieren jetzt neutrales Gas. Das Problem ist, dass dies ein Prozess ist, der Hunderte von Millionen von Jahren dauert, mit Schätzungen zwischen 500 und 700 Millionen Jahren, 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 dort haben wir die Möglichkeit, mehr entfernte Sterne und Galaxien zu sehen als irgendwo anders. Auf diese Weise hat Hubble die bislang am weitesten entfernte Galaxie entdeckt!

Hubble bestätigt spektroskopisch die bislang 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 wo immer es aussehen würde, würde es zu viel von diesem neutralen Gas treffen, das die jungen Sterne dahinter verdeckt. Je weiter Sie zurückgehen, desto stärker stört das intergalaktische Medium Ihr Licht und erschwert die Beobachtung. Aber selbst wenn Hubble nicht mit diesem Gas zu kämpfen 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 erzeugt wurden, bedeutet dies, dass ihre Wellenlängen 21, 31 oder 51 Mal so lang sind wie der Moment, in dem Licht erzeugt wurde.

Wenn sich das Gewebe des Universums ausdehnt, werden auch die Wellenlängen entfernter Lichtquellen gedehnt. Bei den ersten Sternen 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 sich für diese Zwecke 13.800 Millionen Jahre alt vorstellen. Der Grund dafür ist, dass das Universum im Alter zwischen 500 und 700 Millionen Jahren für optisches Licht transparent wird, wobei die am weitesten entfernte bekannte Galaxie in einer seltenen „Tasche“ existiert, in der das Universum mit nur 400 Millionen Jahren transparent ist. Verschiedene Schätzungen für die Zeit der Bildung der allerersten Sterne bei Rotverschiebungen von 20, 30 und 50 entsprechen jedoch dem Alter des Universums von 177 Millionen, 98 Millionen bzw. 46 Millionen Jahren. Selbst wenn das Universum von Anfang an transparent wäre, würden die Wellenlängen des Lichts, nach denen wir suchen würden - diese starke Lyman-α-Emissionslinie bei 121,567 Nanometern (UV-Licht) - auf Wellenlängen von 2.553 nm, 3.769 nm oder 6.200 nm rot verschoben. 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 wird und im Laufe der Zeit für alle Lichtformen transparent wird. Bildnachweis: NASA, ESA und Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration; Anerkennung: R. O'Connell (Universität von Virginia) und das WFC3 Scientific Oversight Committee.

Der am weitesten entfernte Infrarotfilter auf Hubble kann nur etwa 1.600 nm erreichen, aber sein Nachfolger, das James Webb-Weltraumteleskop (Start 2018!), Wird eine Wellenlänge von 28.000 nm erreichen! Zum Vergleich: Die UV-Strahlung liegt unter 400 nm, die sichtbare zwischen 400 und 700 nm, das nahe IR zwischen 700 nm und etwa 5.000 nm und das mittlere IR zwischen 5.000 nm und etwa 25.000 bis 40.000 nm.

Das James Webb-Weltraumteleskop vs. Hubble in Größe (Haupt) und vs. eine Reihe anderer Teleskope (Einschub) in Bezug auf Wellenlänge und Empfindlichkeit. Bildnachweis: NASA / JWST-Team.

Dies 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 sich das Licht heute im Infrarot befindet, das einfach durch dieses neutrale Gas und Staub hindurchgeht, gibt es einfach zu viel, um hindurchzugehen, wenn es sich noch im ultravioletten und sichtbaren Teil des Spektrums befindet, als dass dies ein Slam-Dunk wäre . 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, als das Universum erst 400 Millionen Jahre alt war, ziemlich überschritten. Um zu den wahren ersten Sternen zu gelangen, benötigen Sie im Alter von weniger als 200 Millionen Jahren (und vielleicht schon im Alter von 40 bis 50 Millionen Jahren) ein Infrarot-Teleskop, insbesondere ein Infrarot-Teleskop, das nicht den Grenzen unserer Grenzen unterliegt Atmosphäre.

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

Wir bekommen das in nur zwei Jahren! Und während Hubble vielleicht nie die ersten Sterne sieht, hat es uns näher gebracht als jemals zuvor. Wenn die nächste Generation von Weltraumteleskopen online geht, ist es eine Gewissheit, dass wir weiter zurückblicken werden, wie es die Menschheit jemals in der Geschichte des Universums der Sternentstehung getan hat. Und wenn wir Glück haben, schaffen wir es vielleicht bis zu den ersten. Selbst wenn dies nicht möglich ist, wird die zukünftige 21-cm-Astronomie, die auf dem Wasserstoff-Spin-Flip-Übergang basiert, eine Chance haben. Egal wie oder wann es kommt, wir stehen kurz davor, die wahren ersten Sterne im Universum zu entdecken. Ich kann es kaum erwarten, es herauszufinden!

Dieser Beitrag erschien zuerst 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!