Ungefähr 370.000 Jahre nach dem Urknall erlebte das Universum eine Periode, die Kosmologen als „kosmisches dunkles Zeitalter“ bezeichnen. Während dieser Zeit war das Universum von einem durchdringenden neutralen Gas verdeckt, das alles sichtbare Licht verdunkelte und es für Astronomen unsichtbar machte. Als sich in den nächsten hundert Millionen Jahren die ersten Sterne und Galaxien bildeten, ionisierte die von ihnen emittierte Strahlung dieses Plasma und machte das Universum transparent.
Eines der derzeit größten kosmologischen Mysterien ist der Beginn der „kosmischen Reionisierung“. Um das herauszufinden, haben Astronomen tiefer in den Kosmos (und weiter in die Vergangenheit) geblickt, um die ersten sichtbaren Galaxien zu entdecken. Dank an neue Forschung von einem Astronomenteam des University College London (UCL) wurde eine leuchtende Galaxie beobachtet, die vor 13 Milliarden Jahren das intergalaktische Medium reionisierte.
Die Forschungsergebnisse wurden letzte Woche (2. Juli) während der Jahrestagung der Europäische Astronomische Gesellschaft (EAS) – wegen der Pandemie war das diesjährige Treffen virtuell. Während ihrer Präsentation teilten Romain Meyer (Doktorand an der UCL und Hauptautor der Studie) und seine Kollegen ihre Ergebnisse mit, die der erste solide Beweis dafür sind, dass eine Galaxie eine Gasblase in ihren eigenen 13 Milliarden Jahren reionisiert vor.
Das beobachtbare Universum, wie es unsere Teleskope sehen können. Bildnachweis: NASA
Das für diese Entdeckung verantwortliche Team wurde geleitet von Romain Meyer , ein Ph.D. Student der UCL Astrophysics Group. Er wurde von UCL-Forschern unterstützt Dr. Nicolas Laporte , und Prof. Richard S. Ellis , ebenso gut wie Prof Anne Verhamme und Dr. Thibault Garel der Universität Genf. Ihre Ergebnisse sind auch Gegenstand eines Papiers, das kürzlich eingereicht wurde beiDie monatlichen Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
Das Studium von Galaxien, die während dieser frühen Periode im Universum existierten, ist für das Verständnis der Ursprünge des Kosmos sowie seiner nachfolgenden Entwicklung unerlässlich. Nach unseren aktuellen kosmologischen Modellen entstanden die ersten Galaxien aus verschmelzenden Sternhaufen, die wiederum beim Zusammentreffen der ersten Sterne im Universum entstanden.
Im Laufe der Zeit sprengten diese Galaxien die Strahlung, die dem neutralen Gas im intergalaktischen Medium (IGM) seine Elektronen entzog (auch bekannt als Ionisationsprozess). Astronomen wissen dies, weil wir klare Beweise dafür haben, in Form des kosmischen dunklen Zeitalters und der Art und Weise, wie das Universum heute transparent ist. Aber die Schlüsselfragen, wie und wann dies alles geschah, bleiben unbekannt. Wie Dr. Meyer Universe Today per E-Mail sagte:
„Durch den Blick auf ferne Galaxien blicken wir in das frühe Universum, da das Licht Milliarden von Jahren zurückgelegt hat, bevor es uns erreicht hat. Das ist fantastisch, da wir uns anschauen können, wie Galaxien vor Milliarden von Jahren aussahen, aber es hat mehrere Nachteile.“
Die Galaxie A370p_z1 in der Hubble-Aufnahme und ein Zoom-in in jedem Filter. Bildnachweis: NASA, ESA, Z. Levay (STSci)
Für den Anfang, erklärte Meyer, seien weit entfernte Objekte sehr lichtschwach und könnten nur mit den leistungsstärksten erd- und weltraumgestützten Teleskopen beobachtet werden. In dieser Entfernung gibt es auch das knifflige Problem der Rotverschiebung, bei der die Ausdehnung des Kosmos dazu führt, dass die Wellenlänge des Lichts von entfernten Galaxien in Richtung des roten Endes des Spektrums gestreckt wird.
Bei mehreren Milliarden Jahre alten Galaxien wurde das Licht so weit verschoben, dass es nur noch sichtbares Infrarot ist (insbesondere das UV-Licht, das Meyer und seine Kollegen gesucht haben). Um einen guten Blick auf A370p_z1 zu bekommen, eine leuchtende Galaxie in 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung, konsultierte das Team Daten aus der Hubble Frontier Fields Programm – das Astronomen noch analysieren.
Die Hubble-Daten legten nahe, dass diese Galaxie sehr rotverschoben war, was darauf hindeutet, dass sie besonders alt war. Anschließend machten sie Folgebeobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT), um einen besseren Eindruck von den Spektren dieser Galaxie zu bekommen. Insbesondere suchten sie nach der hellen Linie, die von ionisiertem Wasserstoff emittiert wird, die als Lyman-Alpha-Linie bekannt ist. Sagte Meyer:
„Die große Überraschung war, dass diese Linie, die bei 9480 Angström erkannt wurde, eine Doppellinie war. Dies ist in frühen Galaxien äußerst selten zu finden, und dies ist erst die vierte uns bekannte Galaxie mit einer doppelten Lyman-Alpha-Linie in den ersten Milliarden Jahren. Das Schöne an doppelten Lyman-Alpha-Linien ist, dass man damit auf eine sehr wichtige Menge früher Galaxien schließen kann: Welchen Anteil an energetischen Photonen sie in das intergalaktische Medium entweichen.“
Künstlerische Darstellung zur Veranschaulichung der Technik der Lyman-Alpha-Tomographie. Bildnachweis: Khee-Gan Lee (MPIA) und Casey Stark (UC Berkeley)
Eine weitere große Überraschung war die Tatsache, dass A370p_z1 anscheinend 60 bis 100 % seiner ionisierten Photonen in den intergalaktischen Raum ließ und wahrscheinlich für die Ionisierung der Blase IGM um ihn herum verantwortlich war. Galaxien, die näher an der Milchstraße liegen, haben typischerweise einen Fluchtanteil von etwa 5 % (50 % in einigen seltenen Fällen), aber Beobachtungen des IGM deuten darauf hin, dass frühe Galaxien im Durchschnitt einen Fluchtanteil von 10 bis 20 % hatten.
Diese Entdeckung war äußerst wichtig, da sie dazu beitragen könnte, eine anhaltende Debatte in kosmologischen Kreisen zu lösen. Bisher hat die Frage, wann und wie eine Reionisation stattgefunden hat, zwei mögliche Szenarien hervorgebracht. In einem war es eine Population zahlreicher schwacher Galaxien, die etwa 10 % ihrer energiereichen Photonen entzogen. Im anderen war es eine „Oligarchie“ leuchtender Galaxien mit einem viel größeren Prozentsatz (50% oder mehr) an entweichenden Photonen.
In beiden Fällen deuteten die bisherigen Beweise darauf hin, dass sich die ersten Galaxien sehr von den heutigen unterschieden haben. „Die Entdeckung einer Galaxie mit fast 100 % Flucht war wirklich schön, weil sie bestätigt, was Astrophysiker vermuteten: Frühe Galaxien unterschieden sich stark von heutigen Objekten und leckten energiereiche Photonen viel effizienter“, sagte Meyer.
Die Untersuchung von Galaxien aus der Reionisationszeit auf Lyman-Alpha-Linien war immer schwierig, da sie von neutralem Gas umgeben sind, das diese charakteristische Wasserstoffemission absorbiert. Wir haben jedoch jetzt starke Beweise dafür, dass die Reionisation 800 Millionen Jahre nach dem Urknall abgeschlossen war und dass wahrscheinlich einige leuchtende Galaxien dafür verantwortlich waren.
Wenn das, was Meyer und seine Kollegen beobachteten, typisch für Galaxien aus der Zeit der Reionisation ist, können wir davon ausgehen, dass die Reionisation durch eine kleine Gruppe von Galaxien verursacht wurde, die große Blasen aus ionisiertem Gas um sie herum erzeugten, die wuchsen und überlappten. Wie Meyer erklärte, könnte diese Entdeckung den Weg zur Schaffung eines neuen kosmologischen Modells weisen, das genau vorhersagt, wie und wann große Veränderungen im frühen Universum stattfanden:
Diese Entdeckung bestätigt, dass frühe Galaxien beim Entweichen von ionisierenden Photonen äußerst effizient sein könnten, was eine wichtige Hypothese unseres Verständnisses der „kosmischen Reionisation“ ist – der Epoche, in der das intergalaktische Medium vor 13 Milliarden Jahren von neutral zu ionisiert überging (z Wasserstoffatome durch diese energetischen Photonen abgerissen).
Laut Meyer müssen mehr Objekte wie A370p_z1 gefunden werden, damit Astronomen die durchschnittlichen Fluchtanteile früher Galaxien bestimmen können. In der Zwischenzeit wird der nächste Schritt darin bestehen, herauszufinden, warum diese frühen Galaxien so effizient beim Entweichen energetischer Photonen waren. Es wurden mehrere Szenarien vorgeschlagen, und ein genauerer Blick auf das frühe Universum wird es Astronomen ermöglichen, sie zu testen.
Wie Meyer sicher bemerkte, wird vieles davon von Teleskopen der nächsten Generation abhängen, die sehr bald ins All fliegen werden. Die bemerkenswerteste davon ist die James Webb Weltraumteleskop (JWST), die (nach mehreren Verzögerungen) noch im nächsten Jahr auf den Markt kommen soll. Hierin liegt eine weitere Bedeutung für Studien wie diese: Sie helfen dem James Webb-Team bei der Entscheidung, welche kosmologischen Geheimnisse untersucht werden sollen.
Die Urknall-Zeitachse des Universums. Kosmische Neutrinos beeinflussen die CMB zu der Zeit, als sie emittiert wurden, und die Physik kümmert sich bis heute um den Rest ihrer Entwicklung. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).
„Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop werden wir dieses Ziel tiefer im Infraroten verfolgen, um Zugang zu dem zu erhalten, was ursprünglich im optischen Licht emittiert wurde“, sagte Meyer. „Das wird uns mehr Einblick in die physikalischen Mechanismen der frühen Galaxien geben. Die Mission von JWST ist zeitlich begrenzt, und deshalb ist es so wichtig, diese extremen Objekte jetzt zu entdecken: Indem wir wissen, welche Objekte in den ersten Milliarde Jahren unseres Universums eigentümlich oder extrem sind, wissen wir, worauf wir achten müssen, wenn JWST endlich gestartet wird!“
Aufregende Zeiten stehen Astronomen, Astrophysikern, Exoplanetenjägern, SETI-Forschern und Kosmologen bevor. Es ist schwer zu sagen, wer am meisten aufgeregt sein sollte, aber etwas sagt mir, dass es so wäre, als würde man Eltern fragen, welches ihrer Kinder sie am meisten lieben. Die Antwort lautet zwangsläufig immer: „Alle!“
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