Bildnachweis: ESO
Obwohl das Universum derzeit insgesamt eine beige Farbe hat, war es laut Astronomen der Europäischen Südsternwarte früher eher blau. Dies wurde durch die überwiegend heißen, jungen blauen Sterne in den am weitesten entfernten Galaxien verursacht – Astronomen sehen sie, als das Universum erst 2,5 Milliarden Jahre alt war. Die Astronomen berechneten die Entfernung und Farbe zu 300 Galaxien, die in der Hubble Deep Sky-Durchmusterung enthalten waren, die einen tiefen Blick auf eine Himmelsregion im südlichen Sternbild Tuscanae nahm.
Ein internationales Astronomenteam [1] hat die Farbe des Universums bestimmt, als es noch sehr jung war. Während das Universum heute irgendwie beige ist, war es in der fernen Vergangenheit viel blauer, als es erst 2.500 Millionen Jahre alt war.
Dies ist das Ergebnis einer umfassenden und gründlichen Analyse von mehr als 300 Galaxien, die in einem kleinen südlichen Himmelsbereich, dem sogenannten Hubble Deep Field South, beobachtet wurden. Das Hauptziel dieser fortgeschrittenen Studie war zu verstehen, wie der stellare Inhalt des Universums aufgebaut wurde und sich im Laufe der Zeit verändert hat.
Der niederländische Astronom Marijn Franx, ein Teammitglied vom Leiden Observatory (Niederlande), erklärt: „Die blaue Farbe des frühen Universums wird durch das überwiegend blaue Licht junger Sterne in den Galaxien verursacht. Die rötere Farbe des Universums heute wird durch die relativ große Anzahl älterer, röterer Sterne verursacht.“
Der Teamleiter Gregory Rudnick vom Max-Planck-Institut für Astrophysik (Garching, Deutschland) fügt hinzu: „Da die Gesamtlichtmenge im Universum in der Vergangenheit ungefähr gleich war wie heute und ein junger blauer Stern viel mehr emittiert“ heller als ein alter roter Stern, muss es im jungen Universum deutlich weniger Sterne gegeben haben als heute. Unsere neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die meisten Sterne im Universum vergleichsweise spät entstanden sind, nicht lange vor der Geburt unserer Sonne, zu einem Zeitpunkt, als das Universum etwa 7.000 Millionen Jahre alt war.“
Diese neuen Ergebnisse basieren auf einzigartigen Daten, die während mehr als 100 Beobachtungsstunden mit dem ISAAC-Multimode-Instrument am Very Large Telescope (VLT) der ESO im Rahmen eines großen Forschungsprojekts, dem Faint InfraRed Extragalactic Survey (FIRES), gesammelt wurden. Die Entfernungen zu den Galaxien wurden anhand ihrer Helligkeit in verschiedenen optischen Nahinfrarot-Wellenlängenbändern geschätzt.
Das frühe Universum beobachten
Heute ist bekannt, dass die Sonne vor etwa 4,5 Milliarden Jahren entstanden ist. Aber wann sind die meisten anderen Sterne in unserer Heimatgalaxie entstanden? Und was ist mit Sternen in anderen Galaxien? Dies sind einige der zentralen Fragen der heutigen Astronomie, die jedoch nur durch Beobachtungen mit den größten Teleskopen der Welt beantwortet werden können.
Eine Möglichkeit, diese Probleme anzugehen, besteht darin, das sehr junge Universum direkt zu beobachten – durch einen Blick in die Vergangenheit. Dabei machen sich Astronomen zunutze, dass das von weit entfernten Galaxien emittierte Licht lange zurücklegt, bevor es uns erreicht. Wenn Astronomen also solche entfernten Objekte betrachten, sehen sie sie so, wie sie vor langer Zeit erschienen sind.
Diese entfernten Galaxien sind jedoch extrem lichtschwach, und diese Beobachtungen sind daher technisch schwierig. Eine weitere Komplikation besteht darin, dass das Licht dieser Galaxien aufgrund der Expansion des Universums zu längeren Wellenlängen verschoben wird [2], aus dem optischen Wellenlängenbereich in den Infrarotbereich.
Um diese frühen Galaxien im Detail zu studieren, müssen Astronomen daher die größten bodengebundenen Teleskope verwenden, die ihr schwaches Licht während sehr langer Belichtungen sammeln. Außerdem müssen sie infrarotempfindliche Detektoren verwenden.
Teleskope als riesige Augen
Das „Hubble Deep Field South (HDF-S)“ ist ein sehr kleiner Teil des Himmels im südlichen Sternbild Tucanae („der Tukan“). Es wurde für sehr detaillierte Studien mit dem Hubble-Weltraumteleskop (HST) und anderen leistungsstarken Teleskopen ausgewählt. Optische Bilder dieses Feldes, die mit dem HST gewonnen wurden, repräsentieren eine Gesamtbelichtungszeit von 140 Stunden. Viele bodengebundene Teleskope haben auch Bilder und Spektren von Objekten in diesem Himmelsbereich aufgenommen, insbesondere die ESO-Teleskope in Chile.
Im Rahmen einer gründlichen Studie (Faint InfraRed Extragalactic Survey; FIRES, siehe ESO PR 23/02) wurde ein Himmelsbereich von 2,5 x 2,5 arcmin2 in Richtung HDF-S beobachtet. Es ist etwas größer als das von der WFPC2-Kamera des HST abgedeckte Feld, aber immer noch 100-mal kleiner als das vom Vollmond bedeckte Gebiet.
Immer wenn dieses Feld vom Paranal-Observatorium der ESO aus sichtbar war und die atmosphärischen Bedingungen optimal waren, richteten die Astronomen der ESO das 8,2-m-VLT-ANTU-Teleskop in diese Richtung und machten Nahinfrarot-Bilder mit dem ISAAC-Multimode-Instrument. Insgesamt wurde das Feld über 100 Stunden beobachtet und die resultierenden Bilder (siehe ESO PR 23/02) sind die tiefsten bodengestützten Ansichten im nahen Infrarot Js- und H-Band. Das Ks-Band-Bild ist das tiefste jemals erhaltene Himmelsfeld in diesem Spektralband, sei es vom Boden oder aus dem Weltraum.
Diese einzigartigen Daten bieten einen außergewöhnlichen Einblick und haben nun beispiellose Studien der Galaxienpopulation im jungen Universum ermöglicht. Tatsächlich weisen die mit dem VLT gewonnenen Daten aufgrund der außergewöhnlichen Seeing-Bedingungen am Paranal eine hervorragende Bildschärfe auf (ein „Seeing“ von 0,48 Bogensekunden) und können nahezu ohne Qualitätsverlust mit den optischen HST-Daten kombiniert werden.
Eine blauere Farbe
Auf diesen Bildern konnten die Astronomen rund 300 Galaxien eindeutig nachweisen. Für jeden von ihnen maßen sie die Entfernung durch die Bestimmung der Rotverschiebung [2]. Dies geschah mit einer neu verbesserten Methode, die auf dem Vergleich der Helligkeit jedes Objekts in allen einzelnen Spektralbändern mit der einer Gruppe naher Galaxien basiert.
Auf diese Weise wurden im Feld Galaxien mit Rotverschiebungen bis z = 3,2 gefunden, was Entfernungen um 11.500 Millionen Lichtjahre entspricht. Mit anderen Worten, die Astronomen sahen das Licht dieser sehr weit entfernten Galaxien so, wie sie waren, als das Universum erst 2,2 Milliarden Jahre alt war.
Als nächstes bestimmten die Astronomen die von jeder Galaxie emittierte Lichtmenge so, dass die Auswirkungen der Rotverschiebung „entfernt“ wurden. Das heißt, sie maßen die Lichtmenge bei verschiedenen Wellenlängen (Farben), wie sie von einem Beobachter in der Nähe dieser Galaxie aufgenommen worden wäre. Dies bezieht sich natürlich nur auf das Licht von Sternen, die nicht stark durch Staub verdeckt sind.
Summiert man das Licht, das von allen Galaxien in einer gegebenen kosmischen Epoche bei verschiedenen Wellenlängen emittiert wird, könnten die Astronomen dann auch die durchschnittliche Farbe des Universums (die „kosmische Farbe“) in dieser Epoche bestimmen. Darüber hinaus konnten sie messen, wie sich diese Farbe verändert hat, als das Universum älter wurde.
Sie kommen zu dem Schluss, dass die kosmische Farbe mit der Zeit röter wird. Vor allem war es früher viel blauer; Jetzt, im Alter von fast 14.000 Millionen Jahren, hat das Universum eine Art beige Farbe.
Wann sind Sterne entstanden?
Die zeitliche Änderung der kosmischen Farbe mag an sich interessant sein, sie ist aber auch ein wesentliches Instrument, um zu bestimmen, wie schnell Sterne im Universum zusammengebaut wurden.
Während die Sternentstehung in einzelnen Galaxien eine komplizierte Geschichte haben kann und sich manchmal zu echten „Sternenausbrüchen“ beschleunigt, zeigen die neuen Beobachtungen – jetzt basierend auf vielen Galaxien –, dass die „durchschnittliche Geschichte“ der Sternentstehung im Universum viel einfacher. Dies wird durch die beobachtete, sanfte Änderung der kosmischen Farbe mit zunehmendem Alter des Universums deutlich.
Anhand der kosmischen Farbe konnten die Astronomen auch bestimmen, wie sich das mittlere Alter relativ unverdeckter Sterne im Universum mit der Zeit verändert. Da das Universum in der Vergangenheit viel blauer war als heute, kamen sie zu dem Schluss, dass das Universum heute nicht mehr so viele blaue (massereiche, kurzlebige) Sterne produziert wie früher, während gleichzeitig die roten (niedrigeren Masse) , langlebig) Sterne aus früheren Generationen der Sternentstehung sind noch vorhanden. Blaue, massereiche Sterne sterben schneller als rote, massearme Sterne, und daher sterben die blauen kurzlebigen Sterne mit zunehmendem Alter einer Gruppe von Sternen ab und die durchschnittliche Farbe der Gruppe wird röter. Das Universum als Ganzes auch.
Dieses Verhalten hat eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Alterungstrend in modernen westlichen Ländern, in denen weniger Babys geboren werden als in der Vergangenheit und die Menschen länger leben als in der Vergangenheit, mit dem Gesamteffekt, dass das Durchschnittsalter der Bevölkerung steigt.
Die Astronomen ermittelten, wie viele Sterne sich bereits gebildet hatten, als das Universum erst etwa 3.000 Millionen Jahre alt war. Junge Sterne (von blauer Farbe) emittieren mehr Licht als ältere (rötere) Sterne. Da es im jungen Universum jedoch genauso viel Licht gab wie heute – obwohl die Galaxien jetzt viel röter sind – bedeutet dies, dass es im frühen Universum weniger Sterne gab als heute. Die vorliegende Studie zeigt, dass es zu dieser frühen Zeit zehnmal weniger Sterne gab als heute.
Schließlich fanden die Astronomen heraus, dass etwa die Hälfte der Sterne in den beobachteten Galaxien nach der Zeit entstanden sind, als das Universum etwa halb so alt war (7.000 Millionen Jahre nach dem Urknall) wie heute (14.000 Millionen Jahre).
Obwohl dieses Ergebnis aus einer Untersuchung eines sehr kleinen Himmelsfeldes abgeleitet wurde und daher möglicherweise nicht vollständig repräsentativ für das Universum als Ganzes ist, wurde gezeigt, dass das vorliegende Ergebnis auch in anderen Himmelsfeldern gilt.
Originalquelle: ESO-Pressemitteilung
