Waren Galaxien im frühen Universum ganz anders?

Eine Reihe von 350 Radioteleskopen in der Karoo-Wüste in Südafrika nähert sich dem Nachweis der „kosmischen Morgendämmerung“ – der Ära nach dem Urknall, als sich zum ersten Mal Sterne entzündeten und Galaxien zu blühen begannen.

In einem zur Veröffentlichung angenommenen Artikel in Das Astrophysikalische Journalberichtet das Team des Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), dass es die Empfindlichkeit des Arrays verdoppelt hat, das bereits das empfindlichste Radioteleskop der Welt war, das der Erforschung dieser einzigartigen Periode in der Geschichte des Universums gewidmet war.

Während sie Radioemissionen vom Ende des kosmischen Dunkelzeitalters noch nicht nachgewiesen haben, liefern ihre Ergebnisse Hinweise auf die Zusammensetzung von Sternen und Galaxien im frühen Universum. Insbesondere deuten ihre Daten darauf hin, dass frühe Galaxien im Gegensatz zu unseren heutigen Galaxien außer Wasserstoff und Helium nur sehr wenige Elemente enthielten.

Wenn die Funkschüsseln vollständig online und kalibriert sind, idealerweise in diesem Herbst, hofft das Team, eine 3D-Karte der Blasen aus ionisiertem und neutralem Wasserstoff zu erstellen, wie sie sich von vor etwa 200 Millionen Jahren bis etwa 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall entwickelt haben. Die Karte könnte uns sagen, wie sich frühe Sterne und Galaxien von denen unterschieden, die wir heute um uns herum sehen, und wie das Universum als Ganzes in seiner Jugend aussah.

„Dies bewegt sich in Richtung einer potenziell revolutionären Technik in der Kosmologie. Sobald Sie die erforderliche Empfindlichkeit erreicht haben, enthalten die Daten so viele Informationen“, sagte Joshua Dillon, ein Forschungswissenschaftler an der University of California, Berkeley’s Department of Astronomy and Hauptautor der Abhandlung. „Eine 3D-Karte der meisten leuchtenden Materie im Universum ist das Ziel für die nächsten 50 Jahre oder mehr.“

Auch andere Teleskope spähen in das frühe Universum. Das neue James Webb Space Telescope (JWST) hat nun eine Galaxie abgebildet, die etwa 325 Millionen Jahre nach der Geburt des Universums im Urknall existierte. Aber das JWST kann nur die hellsten der Galaxien sehen, die während der Epoche der Reionisation entstanden sind, nicht die kleineren, aber weitaus zahlreicheren Zwerggalaxien, deren Sterne das intergalaktische Medium erhitzten und den größten Teil des Wasserstoffgases ionisierten.

HERA versucht, die Strahlung des neutralen Wasserstoffs zu erkennen, der den Raum zwischen diesen frühen Sternen und Galaxien füllte, und insbesondere zu bestimmen, wann dieser Wasserstoff aufgehört hat, Radiowellen zu emittieren oder zu absorbieren, weil er ionisiert wurde.

Die Tatsache, dass das HERA-Team diese Blasen aus ionisiertem Wasserstoff noch nicht im kalten Wasserstoff des kosmischen Dunkelzeitalters entdeckt hat, schließt einige Theorien darüber aus, wie sich Sterne im frühen Universum entwickelt haben.

Insbesondere zeigen die Daten, dass die frühesten Sterne, die etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sein könnten, nur wenige andere Elemente als Wasserstoff und Helium enthielten. Dies unterscheidet sich von der Zusammensetzung heutiger Sterne, die aus einer Vielzahl sogenannter Metalle bestehen, dem astronomischen Begriff für Elemente, die von Lithium bis Uran reichen und schwerer als Helium sind. Der Befund stimmt mit dem aktuellen Modell darüber überein, wie Sterne und Sternexplosionen die meisten anderen Elemente produziert haben.

„Frühe Galaxien müssen sich deutlich von den Galaxien unterschieden haben, die wir heute beobachten, damit wir kein Signal gesehen haben“, sagte Aaron Parsons, Hauptforscher von HERA und außerordentlicher Professor für Astronomie an der UC Berkeley. „Insbesondere ihre Röntgeneigenschaften müssen sich verändert haben. Sonst hätten wir das gesuchte Signal entdeckt.“

Die atomare Zusammensetzung der Sterne im frühen Universum bestimmte, wie lange es dauerte, das intergalaktische Medium zu erhitzen, nachdem sich Sterne gebildet hatten. Der Schlüssel dazu ist die hochenergetische Strahlung, hauptsächlich Röntgenstrahlung, die von Doppelsternen produziert wird, wenn einer von ihnen zu einem Schwarzen Loch oder Neutronenstern kollabiert ist und allmählich seinen Begleiter frisst. Bei wenigen schweren Elementen wird ein Großteil der Masse des Begleiters weggeblasen, anstatt auf das Schwarze Loch zu fallen, was weniger Röntgenstrahlen und weniger Erwärmung der Umgebung bedeutet.

Die neuen Daten passen zu den populärsten Theorien darüber, wie Sterne und Galaxien nach dem Urknall entstanden sind, aber nicht zu anderen. Vorläufige Ergebnisse Aus der ersten Analyse der HERA-Daten, die vor einem Jahr berichtet wurde, deutete sich an, dass diese Alternativen – insbesondere die kalte Reionisierung – unwahrscheinlich waren.

„Unsere Ergebnisse erfordern, dass das Gas zwischen den Galaxien bereits vor der Reionisierung und bis zu 450 Millionen Jahre nach dem Urknall durch Röntgenstrahlen aufgeheizt worden sein muss. Diese stammen wahrscheinlich von Doppelsternsystemen, in denen ein Stern an Masse an einen schwarzen Begleiter verliert Loch“, sagte Dillon. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Sterne in diesem Fall eine sehr geringe ‚Metallizität‘ gehabt haben müssen, d.h. sehr wenige andere Elemente als Wasserstoff und Helium im Vergleich zu unserer Sonne, was Sinn macht, weil wir von einer Periode in sprechen Zeit im Universum, bevor die meisten anderen Elemente entstanden sind.“

Die Epoche der Reionisierung

Der Ursprung des Universums im Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren erzeugte einen heißen Kessel aus Energie und Elementarteilchen, der Hunderttausende von Jahren abkühlte, bevor sich Protonen und Elektronen zu Atomen – hauptsächlich Wasserstoff und Helium – vereinigten. Astronomen haben den Himmel mit empfindlichen Teleskopen betrachtet und die schwachen Temperaturschwankungen von diesem Moment an genau kartiert – was als kosmischer Mikrowellenhintergrund bekannt ist – nur 380.000 Jahre nach dem Urknall.

Abgesehen von dieser Relikt-Wärmestrahlung war das frühe Universum jedoch dunkel. Als sich das Universum ausdehnte, bildete die Verklumpung der Materie Galaxien und Sterne, die wiederum Strahlung – Ultraviolett- und Röntgenstrahlen – erzeugten, die das Gas zwischen den Sternen erhitzte. Irgendwann begann Wasserstoff zu ionisieren – er verlor sein Elektron – und bildete Blasen innerhalb des neutralen Wasserstoffs, was den Beginn der Epoche der Reionisierung markierte.

Um diese Blasen abzubilden, konzentrieren sich HERA und mehrere andere Experimente auf eine Lichtwellenlänge, die neutraler Wasserstoff absorbiert und emittiert, ionisierter Wasserstoff jedoch nicht. Die sogenannte 21-Zentimeter-Linie (eine Frequenz von 1.420 Megahertz) wird durch den Hyperfeinübergang erzeugt, bei dem die Spins des Elektrons und des Protons von parallel zu antiparallel wechseln. Ionisierter Wasserstoff, der sein einziges Elektron verloren hat, absorbiert oder emittiert diese Radiofrequenz nicht.

Seit der Epoche der Reionisierung wurde die 21-Zentimeter-Linie durch die Expansion des Universums auf eine zehnmal so lange Wellenlänge rotverschoben – etwa 2 Meter oder 6 Fuß. HERAs recht einfache Antennen, ein Konstrukt aus Maschendraht, PVC-Rohr und Telefonmasten, haben einen Durchmesser von 14 Metern, um diese Strahlung zu sammeln und auf Detektoren zu fokussieren.

„Bei einer Wellenlänge von zwei Metern ist ein Maschendraht aus Maschendraht ein Spiegel“, sagte Dillon. „Und all das ausgeklügelte Zeug steckt sozusagen im Backend des Supercomputers und die ganze Datenanalyse, die danach kommt.“

Die neue Analyse basiert auf 94 Beobachtungsnächten in den Jahren 2017 und 2018 mit etwa 40 Antennen – Phase 1 des Arrays. Die vorläufige Analyse des letzten Jahres basierte auf 18 Nächten mit Phase-1-Beobachtungen.

Das Hauptergebnis der neuen Arbeit ist, dass das HERA-Team die Empfindlichkeit des Arrays um den Faktor 2,1 für Licht, das etwa 650 Millionen Jahre nach dem Urknall emittiert wurde (eine Rotverschiebung oder eine Zunahme der Wellenlänge von 7,9), und um den Faktor 2,6 verbessert hat Strahlung, die etwa 450 Millionen Jahre nach dem Urknall emittiert wurde (eine Rotverschiebung von 10,4).

Das HERA-Team verbessert weiterhin die Kalibrierung und Datenanalyse des Teleskops in der Hoffnung, diese Blasen im frühen Universum zu sehen, die etwa ein Millionstel der Intensität des Radiorauschens in der Nähe der Erde aufweisen. Es war nicht einfach, das lokale Radiorauschen herauszufiltern, um die Strahlung aus dem frühen Universum zu sehen.

„Wenn es Schweizer Käse ist, machen die Galaxien die Löcher, und wir suchen nach dem Käse“, sagte David Deboer, ein Forschungsastronom am Radioastronomielabor der UC Berkeley, bisher erfolglos.

Dillon erweiterte diese Analogie jedoch und bemerkte: „Wir haben gesagt, dass der Käse wärmer sein muss, als wenn nichts passiert wäre. Wenn der Käse wirklich kalt wäre, stellt sich heraus, dass es einfacher wäre, diese Flecken zu beobachten als.“ wenn der Käse warm wäre.“

Das schließt die Theorie der kalten Reionisierung, die einen kälteren Ausgangspunkt postulierte, größtenteils aus. Die HERA-Forscher vermuten stattdessen, dass die Röntgenstrahlen von Röntgen-Doppelsternen das intergalaktische Medium zuerst aufgeheizt haben.

„Die Röntgenstrahlen werden den ganzen Käseblock effektiv erhitzen, bevor sich Löcher bilden“, sagte Dillon. „Und diese Löcher sind die ionisierten Bits.“

„HERA verbessert sich weiter und setzt immer bessere Grenzen“, sagte Parsons. „Die Tatsache, dass wir uns weiter durchsetzen können und neue Techniken haben, die weiterhin Früchte für unser Teleskop tragen, ist großartig.“

Die HERA-Kollaboration wird von der UC Berkeley geleitet und umfasst Wissenschaftler aus ganz Nordamerika, Europa und Südafrika.