Astronomen stellen fest, dass Webb-Daten im Widerspruch zu Reionisierungsmodellen stehen

Die Reionisierung ist eine kritische Phase, in der die ersten Sterne und Galaxien die physikalische Struktur ihrer Umgebung und schließlich des gesamten Universums veränderten. Gängige Theorien gehen davon aus, dass diese Epoche etwa 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall endete. Wenn dieser Meilenstein jedoch anhand von Beobachtungen des James Webb Space Telescope (JWST) berechnet würde, wäre die Reionisierung mindestens 350 Millionen Jahre früher als erwartet beendet. Das geht aus einem neuen Papier hervor veröffentlicht In Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society: Briefe.

Im Laufe seiner Geschichte hat das Universum mehrere große Veränderungen erfahren. In den ersten 380.000 Jahren nach dem Urknall war es ein heißes, dichtes Plasma aus Protonen und Elektronen. Schließlich kühlten die Dinge so weit ab, dass sich diese Protonen und Elektronen verbinden und neutrale Wasserstoffatome bilden konnten. Dann, etwa 100 Millionen Jahre nach dem Urknall, begannen sich die ersten Sterne und Galaxien zu bilden und läuteten die Epoche der Reionisierung ein.

Diese ersten Sterne waren riesig und heiß – einige hatten Schätzungen zufolge 30 bis 300 Mal so viel Masse wie unsere Sonne – und sie strahlten viel Energie in Form von extrem ultraviolettem Licht aus. Diese Energie war so intensiv, dass sie beim Auftreffen auf nahe gelegene Wasserstoffatome diese in einem Prozess namens Ionisierung in Protonen und Elektronen aufspaltete. Nach Hunderten von Millionen Jahren, als fast der gesamte Wasserstoff im Universum ionisiert wurde, endete die Epoche der Reionisierung.

Wenn man bedenkt, dass etwa 75 % aller Materie Wasserstoff ist, stellt dies eine immense Transformation dar. „Dies ist die letzte große Änderung“, erklärte Julian Muñoz, Assistenzprofessor für Astronomie an der University of Texas in Austin und Hauptautor der Studie. „Sie sind von neutral und kalt und langweilig zu ionisiert und heiß übergegangen. Und das ist nicht nur einer oder zwei Galaxien passiert. Es ist dem gesamten Universum passiert.“

„Der Prozess erhitzte und ionisierte Gas im Universum, was regulierte, wie schnell Galaxien wuchsen und sich entwickelten“, fügte John Chisholm, Assistenzprofessor für Astronomie an der UT Austin und Mitautor des Artikels hinzu. „Diese frühen Sterne begründeten die Gesamtstruktur der Galaxien im Universum.“

Da Astronomen den Reionisierungsprozess nicht direkt beobachten können, müssen sie mithilfe von Modellen vorhersagen, wann er endet. Diese Modelle basieren auf indirekten Beweisen, einschließlich Messungen darüber, wie viel Licht vom Nachglühen des Urknalls, dem sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrund, zu uns gelangt ist.

Ein weiterer Beweis ist eine frühe Häufigkeit der mit Energieänderungen im Wasserstoff verbundenen Wellenlänge, der sogenannte Lyman-Alpha-Wald. Beides hilft Astronomen bei der Berechnung, wie viel Wasserstoff während der Reionisierung umgewandelt wurde und wie viel Energie dafür benötigt wurde.

„Es ist ein Buchhaltungsspiel“, sagte Muñoz. „Wir wissen, dass der gesamte Wasserstoff vor der Reionisierung neutral war. Von da an braucht man genügend extremes Ultraviolett, um jedes Atom zu spalten. Am Ende des Tages kann man also rechnen, um herauszufinden, wann die Reionisierung endete.“

Nun stellt das James-Webb-Weltraumteleskop etablierte Modelle in Frage. Damit können Astronomen tiefer als je zuvor in den Kosmos blicken, tief in diese kritische Epoche. Dies führt zu vielen unerwarteten Beobachtungen im frühen Universum – eine davon ist eine größere Häufigkeit extrem ultravioletter Strahlung als erwartet. „JWST hat gezeigt, dass helle Galaxien ausreichen, um das Universum allein zu ionisieren“, sagte Chisholm. „Das steht im Widerspruch zu dem, was viele Menschen erwartet hatten.“

Mit diesen neuen Beobachtungen ist die Buchführung nun ins Wanken geraten. „Wenn man James Webb blind vertrauen würde, würde er sagen, dass die Reionisierung 550 bis 650 Millionen Jahre nach dem Urknall endete, statt nach aktuellen Schätzungen eine Milliarde Jahre“, erklärte Muñoz. „Wenn das wahr wäre, würde der kosmische Mikrowellenhintergrund anders aussehen und der Lyman-Alpha-Wald würde anders aussehen. Es gibt also eine Spannung.“

Mit anderen Worten: Es ist unwahrscheinlich, dass die Reionisierung Hunderte Millionen Jahre früher stattgefunden hat als vorhergesagt. Was ist denn los? Eine Erklärung könnte sein, dass etablierten Modellen einige Schlüsselinformationen fehlen. Beispielsweise kamen ionisierte Protonen und Elektronen manchmal wieder zusammen, um neutrale Wasserstoffatome zu bilden. Dieser Vorgang wird Rekombination genannt. Wenn es häufiger passieren würde, als aktuelle Modelle annehmen, könnte dies dazu führen, dass mehr extrem ultraviolettes Licht benötigt wird, um das gesamte Universum zu ionisieren.

„Wir brauchen detailliertere und tiefergehende Beobachtungen von Galaxien und ein besseres Verständnis des Rekombinationsprozesses“, sagte Munoz. „Die Lösung dieser Spannungen in Bezug auf die Reionisierung ist ein wichtiger Schritt, um diese entscheidende Phase endlich zu verstehen. Ich bin gespannt, was die kommenden Jahre bringen werden.“

Weitere Studienautoren sind Jordan Mirocha vom Jet Propulsion Laboratory der NASA und dem California Institute of Technology; Steven Furlanetto von der University of California, Los Angeles; und Charlotte Mason an der Universität Kopenhagen.