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Astronomen, die herausfinden wollten, wann die Reionozation des Universums stattfand, haben etwa 800 Millionen Jahre nach dem Urknall einige der frühesten Galaxien gefunden. 22 frühe Galaxien wurden mit einer Methode gefunden, die nach weit entfernten Rotverschiebungsquellen sucht, die bei einer bestimmten Wellenlänge verschwinden oder „ausfallen“. Das Alter einer Galaxie wurde 787 Millionen Jahre nach dem Urknall durch eine charakteristische neutrale Wasserstoffsignatur bestätigt. Der Fund ist die erste Altersbestätigung einer sogenannten Dropout-Galaxie zu dieser fernen Zeit und zeigt auf, wann die Reionisationsepoche wahrscheinlich begann.
Die Reionisationsperiode ist ungefähr die am weitesten zurückliegende Zeit, die Astronomen beobachten können. Der Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren schuf ein heißes, trübes Universum. Etwa 400.000 Jahre später kühlten die Temperaturen ab, Elektronen und Protonen verbanden sich zu neutralem Wasserstoff, und die Dunkelheit lichtete sich. Etwas vor 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall begann neutraler Wasserstoff in den ersten Galaxien Sterne zu bilden, die Energie abstrahlten und den Wasserstoff wieder in Ionisierung umwandelten. Obwohl nicht die dicke Plasmasuppe der früheren Zeit kurz nach dem Urknall, leitete diese Sternentstehung die Reionisierungsepoche ein.
Astronomen wissen, dass diese Ära etwa 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall endete, aber wann sie begann, ist ihnen entgangen.
Wir suchen nach „Aussteiger“-Galaxien“, sagte Masami Ouchi, der ein US-amerikanisches und japanisches Astronomenteam leitete, das auf die Reionisierungsepoche zurückblickte. „Wir verwenden zunehmend rötere Filter, die zunehmende Wellenlängen des Lichts sichtbar machen, und beobachten, welche Galaxien aus Bildern, die mit diesen Filtern gemacht wurden, verschwinden oder ausfallen. Ältere, weiter entfernte Galaxien „Ausfall“ von zunehmend röteren Filtern und die spezifischen Wellenlängen können uns die Entfernung und das Alter der Galaxien sagen. Der Unterschied zu dieser Studie besteht darin, dass wir ein Gebiet vermessen haben, das über 100-mal größer ist als die vorherigen und infolgedessen eine größere Stichprobe früher Galaxien (22) hatten als frühere Durchmusterungen. Außerdem konnten wir das Alter einer Galaxie bestätigen“, fuhr er fort. „Da alle Galaxien mit der gleichen Dropout-Technik gefunden wurden, sind sie wahrscheinlich gleich alt.“
Ouchis Team konnte eine so große Untersuchung durchführen, weil sie einen speziell angefertigten Superrotfilter und andere einzigartige technologische Fortschritte bei der Rotempfindlichkeit bei der Weitfeldkamera des 8,3-Meter-Subaru-Teleskops verwendeten. Sie machten ihre Beobachtungen von 2006 bis 2009 im Subaru Deep Field und Great Observatories Origins Deep Survey North Field. Anschließend verglichen sie ihre Beobachtungen mit Daten aus anderen Studien.
Astronomen haben sich gefragt, ob das Universum sofort oder allmählich im Laufe der Zeit einer Reionisierung unterzogen wurde, aber was noch wichtiger ist, sie haben versucht, zu isolieren, als das Universum mit der Reionisierung begann. Dichte- und Helligkeitsmessungen von Galaxien sind der Schlüssel zur Berechnung der Sternentstehungsraten, die viel darüber aussagen, was wann passiert ist. Die Astronomen untersuchten die Sternentstehungsraten und die Geschwindigkeit, mit der Wasserstoff ionisiert wurde.
Anhand von Daten aus ihrer Studie und anderen stellten sie fest, dass die Sternentstehungsraten von 800 Millionen Jahren auf etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall und danach dramatisch niedriger waren. Dementsprechend berechneten sie, dass die Ionisationsrate während dieser frühen Zeit aufgrund dieser geringen Sternentstehungsrate sehr langsam sein würde.
„Wir waren wirklich überrascht, dass die Ionisationsrate so niedrig erscheint, was einen Widerspruch zu der Behauptung des WMAP-Satelliten der NASA darstellen würde. Es kam zu dem Schluss, dass die Reionisierung spätestens 600 Millionen Jahre nach dem Urknall begann“, bemerkte Ouchi. „Wir glauben, dass dieses Rätsel durch effizientere Produktionsraten ionisierender Photonen in frühen Galaxien erklärt werden könnte. Die Entstehung massereicher Sterne mag damals viel heftiger gewesen sein als in den heutigen Galaxien. Weniger massereiche Sterne produzieren mehr ionisierende Photonen als viele kleinere Sterne“, erklärte er.
Die Forschungsergebnisse werden in einer Dezember-Ausgabe des Astrophysical Journal veröffentlicht.
Quelle: EurekAlert
