Astrophysiker in Australien haben ein neues Licht auf den Zustand des Universums vor 13 Milliarden Jahren geworfen, indem sie die Kohlenstoffdichte in den Gasen gemessen haben, die alte Galaxien umgeben.
Die Studie, erschienen in Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Societyfügt dem Puzzle der Geschichte des Universums ein weiteres Puzzleteil hinzu.
„Wir fanden heraus, dass der Kohlenstoffanteil in warmem Gas vor etwa 13 Milliarden Jahren rapide zunahm, was möglicherweise mit der großflächigen Erwärmung des Gases verbunden ist, die mit dem Phänomen verbunden ist, das als Epoche der Reionisierung bekannt ist“, sagt Dr. Rebecca Davies, ASTRO 3D Postdoktorand an der Swinburne University of Technology, Australien, und Hauptautor des Artikels, der die Entdeckung beschreibt.
Die Studie zeigt, dass sich die Menge an warmem Kohlenstoff über einen Zeitraum von nur 300 Millionen Jahren plötzlich um den Faktor fünf erhöht hat – ein Wimpernschlag in astronomischen Zeitskalen.
Während frühere Studien auf einen Anstieg des warmen Kohlenstoffs hindeuteten, waren viel größere Proben – die Grundlage der neuen Studie – erforderlich, um Statistiken zur genauen Messung der Rate dieses Wachstums bereitzustellen.
„Das haben wir hier getan. Und so präsentieren wir zwei mögliche Interpretationen dieser schnellen Entwicklung“, sagt Dr. Davies.
Der erste ist, dass es um Galaxien herum zu einem anfänglichen Anstieg des Kohlenstoffs kommt, einfach weil es mehr Kohlenstoff im Universum gibt.
„Während der Zeit, in der sich die ersten Sterne und Galaxien bilden, bilden sich viele schwere Elemente, weil wir nie Kohlenstoff hatten, bevor wir Sterne hatten“, sagt Dr. Davies. „Ein möglicher Grund für diesen schnellen Aufstieg ist also, dass wir die Produkte der ersten Generationen von Stars sehen.“
Die Studie fand jedoch auch Hinweise darauf, dass die Menge an kühlem Kohlenstoff im gleichen Zeitraum abnahm. Dies deutet darauf hin, dass es zwei verschiedene Phasen in der Entwicklung des Kohlenstoffs geben könnte – einen schnellen Anstieg, während eine Reionisierung auftritt, gefolgt von einem Abflachen.
Die Epoche der Reionisierung, die stattfand, als das Universum „nur“ eine Milliarde Jahre alt war, war, als die Lichter nach dem kosmischen Mittelalter nach dem Urknall wieder angingen.
Davor war das Universum ein dunkler, dichter Nebel aus Gas. Aber als sich die ersten massiven Sterne bildeten, begann ihr Licht durch den Weltraum zu scheinen und den Kosmos zu reionisieren. Dieses Licht könnte zu einer schnellen Erwärmung des umgebenden Gases geführt haben, was den in dieser Studie beobachteten Anstieg des warmen Kohlenstoffs verursacht hat.
Studien zur Reionisierung sind von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wann und wie die ersten Sterne entstanden und begannen, die heute existierenden Elemente zu produzieren. Aber Messungen waren notorisch schwierig.
„Die von Dr. Davies geleitete Forschung baute auf einer außergewöhnlichen Stichprobe von Daten auf, die während 250 Stunden Beobachtungen am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile gewonnen wurden“, sagt Dr. Valentina D’Odorico vom italienischen Institut für Astrophysik, der Hauptforscher des Beobachtungsprogramms. „Dies ist die größte Beobachtungszeit, die einem einzelnen Projekt zugewiesen wurde, das mit dem X-Shooter-Spektrographen durchgeführt wurde.
„Dank des 8-Meter-VLT konnten wir einige der entferntesten Quasare beobachten, die als Taschenlampen Galaxien auf dem Weg vom frühen Universum zur Erde beleuchten.“
Während das Quasarlicht auf seiner 13 Milliarden Jahre langen Reise durch das Universum durch Galaxien wandert, werden einige Photonen absorbiert und erzeugen im Licht unverwechselbare Strichcode-ähnliche Muster, die analysiert werden können, um die chemische Zusammensetzung und Temperatur des Gases in den Galaxien zu bestimmen .
Dies gibt ein historisches Bild von der Entwicklung des Universums.
„Diese ‚Barcodes‘ werden von Detektoren am X-Shooter-Spektrographen des VLT erfasst“, erklärt Dr. Davies. „Dieses Instrument teilt das Galaxienlicht in verschiedene Wellenlängen auf, als würde man Licht durch ein Prisma leiten, sodass wir die Barcodes lesen und die Eigenschaften jeder Galaxie messen können.“
Die von Dr. Davies geleitete Studie erfasste mehr Barcodes alter Galaxien als je zuvor.
„Wir haben die Anzahl der Quasare, für die wir qualitativ hochwertige Daten hatten, von 12 auf 42 erhöht, was endlich eine detaillierte und genaue Messung der Entwicklung der Kohlenstoffdichte ermöglicht“, sagt Dr. D’Odorico.
Dieser bedeutende Fortschritt wurde durch das ESO VLT ermöglicht, eines der fortschrittlichsten Teleskope der Erde und ein strategischer Partner Australiens.
„Die Studie liefert einen Legacy-Datensatz, der nicht wesentlich verbessert werden wird, bis Teleskope der 30-Meter-Klasse gegen Ende dieses Jahrzehnts online gehen“, sagt Professor Emma Ryan-Weber, Chief Investigator im ARC Center of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3D) und Zweitautor der Studie. „Hochwertige Daten aus noch früheren Zeiten im Universum erfordern den Zugang zu Teleskopen wie dem Extremely Large Telescope (ELT), das derzeit in Chile gebaut wird.“
Astronomen verwenden viele verschiedene Arten von Daten, um eine Geschichte des Universums zu erstellen.
„Unsere Ergebnisse stimmen mit aktuellen Studien überein, die zeigen, dass die Menge an neutralem Wasserstoff im intergalaktischen Raum etwa zur gleichen Zeit schnell abnimmt“, sagt Dr. Davies.
„Diese Forschung ebnet auch den Weg für zukünftige Untersuchungen mit dem Square Kilometre Array (SKA), das darauf abzielt, Emissionen von neutralem Wasserstoff während dieser Schlüsselphase der Geschichte des Universums direkt nachzuweisen.“
Professor Ryan-Weber sagt, dass die Forschung zum Kern der Mission von ASTRO 3D passt, die Evolution der Elemente vom Urknall bis heute zu verstehen: „Sie adressiert dieses Schlüsselziel: Wie haben die Bausteine des Lebens – in diesem Fall Kohlenstoff – sich im ganzen Universum ausbreiten?
„Als Menschen streben wir danach zu verstehen ‚Wo kommen wir her?‘ Es ist unglaublich, sich vorzustellen, dass der Barcode dieser 13 Milliarden Jahre alten Kohlenstoffatome zu einer Zeit in Photonen eingeprägt wurde […] Die Erde existierte nicht einmal. Diese Photonen wanderten durch das Universum in das VLT und wurden dann verwendet, um ein Bild der Evolution des Universums zu entwickeln.“
Mehr Informationen:
Rebecca Davies et al, Untersuchung des Rückgangs des C~IV-Gehalts des Universums über 4,3 = z = 6,3 unter Verwendung der E-XQR-30-Stichprobe, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad294
Bereitgestellt vom ARC Center of Excellence for All Sky Astrophysics in 3D (ASTRO 3D)