Endlich wissen wir, was Licht in die dunkle, formlose Leere des frühen Universums brachte.
Daten der Weltraumteleskope Hubble und James Webb zufolge waren die Ursprünge frei fliegender Photonen zu Beginn des frühen Universums kleine Zwerggalaxien, in denen sich Leben entzündete und den trüben Wasserstoffnebel auflöste, der den intergalaktischen Raum erfüllte. Neues Papier Die Studie wurde im Februar veröffentlicht.
„Diese Entdeckung offenbart die entscheidende Rolle, die ultraschwache Galaxien bei der Entwicklung des frühen Universums spielten.“ sagte die Astrophysikerin Irina Chemerinska Vom Institut für Astrophysik in Paris.
„Sie erzeugen ionisierende Photonen, die während der kosmischen Reionisierung neutralen Wasserstoff in ionisiertes Plasma umwandeln. Dies unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses von Galaxien mit geringer Masse für die Gestaltung der Geschichte des Universums.“
Zu Beginn des Universums, wenige Minuten nach dem Urknall, war der Weltraum mit einem dichten Nebel aus ionisiertem Plasma gefüllt. Das wenige Licht, das vorhanden war, konnte diesen Nebel durchdringen; Vielmehr wären die Photonen einfach an umherschwebenden freien Elektronen gestreut worden, was das Universum effektiv dunkel gemacht hätte.
Als sich das Universum nach etwa 300.000 Jahren abkühlte, begannen Protonen und Elektronen zusammenzukommen und neutrales Wasserstoffgas (und etwas Helium) zu bilden. Die meisten Lichtwellenlängen konnten dieses neutrale Medium durchdringen, es gab jedoch nur wenige Lichtquellen, um es zu erzeugen. Doch aus diesem Wasserstoff und Helium wurden die ersten Sterne geboren.
Diese ersten Sterne emittierten Strahlung, die stark genug war, um Elektronen aus ihren Kernen zu entfernen und das Gas zu reionisieren. Doch zu diesem Zeitpunkt hatte sich das Universum so stark ausgedehnt, dass sich das Gas ausbreitete und das Leuchten des Lichts nicht mehr verhindern konnte. Etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, dem Ende der kosmischen Morgendämmerung, wurde das Universum vollständig reionisiert. Tada! Die Lichter gingen an.
Aber weil die kosmische Morgendämmerung so verschwommen ist und sie über Zeit und Raum hinweg so schwach und weit entfernt ist, hatten wir Schwierigkeiten zu erkennen, was da draußen ist. Wissenschaftler gingen davon aus, dass die Quellen, die für den Großteil dieses Dunsts verantwortlich sind, mächtig sein müssen – zum Beispiel massereiche Schwarze Löcher, deren Akkretion helles Licht erzeugt, und massereiche Galaxien inmitten der Sternentstehung (Babysterne erzeugen viel ultraviolette Strahlung).
Das James-Webb-Teleskop wurde unter anderem entwickelt, um in die Anfänge des Universums zu blicken und herauszufinden, was sich dort verbirgt. Es war ein großer Erfolg und enthüllte alle möglichen Überraschungen über diese entscheidende Zeit in der Gestaltung unseres Universums. Überraschenderweise deuten Teleskopbeobachtungen nun darauf hin, dass Zwerggalaxien die Hauptakteure bei der Reionisierung sind.
Ein internationales Team unter der Leitung des Astrophysikers Hakim Atiq vom Institut für Astrophysik in Paris stützte sich auf Daten des James Webb-Teleskops über eine Galaxiengruppe namens Abell 2744, gestützt durch Daten von Hubble. Abell 2744 ist so dicht, dass sich die Raumzeit um ihn herum krümmt und eine kosmische Linse bildet. Jedes entfernte Licht, das durch diese Raumzeit zu uns wandert, wird vergrößert. Dadurch konnten Forscher kleine Zwerggalaxien in der Nähe der kosmischen Morgendämmerung beobachten.
Anschließend nutzten sie das James-Webb-Teleskop, um detaillierte Spektren dieser kleinen Galaxien zu erhalten. Ihre Analyse ergab, dass diese Zwerggalaxien nicht nur die am häufigsten vorkommende Galaxienart im frühen Universum sind, sondern auch viel heller als erwartet. Tatsächlich zeigen die Untersuchungen des Teams, dass Zwerggalaxien 100 zu eins zahlreicher sind als große Galaxien und dass ihre Gesamtleistung das Vierfache der ionisierenden Strahlung beträgt, die normalerweise für größere Galaxien angenommen wird.
„Zusammengenommen geben diese kosmischen Kräfte mehr als genug Energie ab, um die Mission zu erfüllen.“ sagte Atik„Trotz ihrer geringen Größe erzeugen diese Galaxien mit geringer Masse enorme Mengen an energiereicher Strahlung, und ihre Häufigkeit in diesem Zeitraum ist so groß, dass ihre kollektive Wirkung den gesamten Zustand des Universums verändern könnte.“
Es ist der bisher beste Beweis für die Kraft, die hinter der Reionisierung steckt, aber es gibt noch viel zu tun. Die Forscher betrachteten einen kleinen Ausschnitt des Himmels; Sie müssen sicher sein, dass es sich bei der von ihnen ausgewählten Stichprobe nicht nur um eine anomale Ansammlung von Zwerggalaxien handelt, sondern um eine, die die gesamte Population zu Beginn des Universums repräsentiert.
Wissenschaftler beabsichtigen, weitere kosmische Linsenregionen am Himmel zu untersuchen, um eine breitere Stichprobe früher Galaxienhaufen zu erhalten. Aber nur für diese Stichprobe sind die Ergebnisse sehr interessant. Seit wir davon wissen, suchen Wissenschaftler nach Antworten auf die Frage der Reionisierung. Und wir sind dabei, endlich den Nebel zu lichten.
„Mit JWST haben wir nun Neuland betreten.“ sagte die Astrophysikerin Thimya Nanayakkara Von der Swinburne University of Technology in Australien.
„Diese Arbeit wirft weitere spannende Fragen auf, die wir bei unseren Bemühungen, die Evolutionsgeschichte unserer Anfänge aufzuzeichnen, beantworten müssen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur.
Die Originalversion dieses Artikels wurde im März 2024 veröffentlicht.