Etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall war der Kosmos ein sehr dunkler Ort. Das Leuchten der explosiven Geburt des Universums war abgekühlt und der Weltraum war mit dichtem Gas – hauptsächlich Wasserstoff – ohne Lichtquellen gefüllt.
Langsam, über Hunderte von Millionen Jahren hinweg, wurde das Gas durch die Schwerkraft zu Klumpen zusammengezogen, die schließlich groß genug wurden, um sich zu entzünden. Das waren die ersten Sterne.
Ihr Licht reichte zunächst nicht weit, da ein Großteil davon von einem Nebel aus Wasserstoffgas absorbiert wurde. Als sich jedoch immer mehr Sterne bildeten, erzeugten sie genug Licht, um den Nebel durch „Reionisierung“ des Gases zu verbrennen und so das transparente Universum mit seinen strahlenden Lichtpunkten zu schaffen, das wir heute sehen.
Aber welche Sterne genau erzeugten das Licht, das das dunkle Zeitalter beendete und diese sogenannte „Epoche der Reionisierung“ auslöste? In Forschung veröffentlicht in NatureWir nutzten einen gigantischen Galaxienhaufen als Vergrößerungsglas, um schwache Relikte dieser Zeit zu betrachten – und entdeckten, dass Sterne in kleinen, lichtschwachen Zwerggalaxien wahrscheinlich für diese Transformation im kosmischen Maßstab verantwortlich waren.
Was beendete das dunkle Zeitalter?
Die meisten Astronomen waren sich bereits einig, dass Galaxien die Hauptkraft bei der Reionisierung des Universums waren, aber es war nicht klar, wie sie das taten. Wir wissen, dass Sterne in Galaxien viele ionisierende Photonen erzeugen sollten, aber diese Photonen müssen dem Staub und Gas in ihrer eigenen Galaxie entkommen, um Wasserstoff im Raum zwischen Galaxien zu ionisieren.
Es war nicht klar, welche Art von Galaxien in der Lage wären, genügend Photonen zu produzieren und auszusenden, um diese Aufgabe zu erfüllen. (Und tatsächlich gibt es Leute, die glauben, dass exotischere Objekte wie große Schwarze Löcher dafür verantwortlich sein könnten.)
Unter den Anhängern der Galaxientheorie gibt es zwei Lager.
Die erste geht davon aus, dass riesige, massereiche Galaxien die ionisierenden Photonen erzeugten. Im frühen Universum gab es nicht viele dieser Galaxien, aber jede einzelne produzierte viel Licht. Wenn es also einem bestimmten Teil dieses Lichts gelungen wäre, zu entkommen, hätte dies möglicherweise ausgereicht, um das Universum wieder zu ionisieren.
Das zweite Lager meint, wir wären besser dran, die Riesengalaxien zu ignorieren und uns auf die große Zahl viel kleinerer Galaxien im frühen Universum zu konzentrieren. Jeder von ihnen hätte weitaus weniger ionisierendes Licht erzeugt, aber angesichts ihrer großen Zahl hätten sie die Epoche der Reionisierung vorantreiben können.
Eine Lupe mit einer Breite von 4 Millionen Lichtjahren
Der Versuch, irgendetwas im frühen Universum zu betrachten, ist sehr schwierig. Die massereichen Galaxien sind selten und daher schwer zu finden. Kleinere Galaxien kommen häufiger vor, sind aber sehr lichtschwach, was es schwierig (und teuer) macht, qualitativ hochwertige Daten zu erhalten.
Wir wollten einen Blick auf einige der schwächsten Galaxien der Welt werfen und nutzten daher eine riesige Galaxiengruppe namens Pandora’s Cluster als Lupe. Die enorme Masse des Clusters verzerrt Raum und Zeit und verstärkt das Licht von Objekten dahinter.
Im Rahmen des UNCOVER-Programmhaben wir mit dem James-Webb-Weltraumteleskop vergrößerte Infrarotbilder lichtschwacher Galaxien hinter dem Pandora-Cluster betrachtet.
Wir haben uns zunächst viele verschiedene Galaxien angesehen und dann einige besonders weit entfernte (und daher alte) Galaxien ausgewählt, um sie genauer zu untersuchen. (Diese Art der genauen Untersuchung ist teuer, daher konnten wir uns nur acht Galaxien genauer ansehen.)
Der helle Schein von Wasserstoff
Wir wählten einige Quellen aus, die zu diesem Zeitpunkt etwa 0,5 % der Helligkeit unserer Milchstraße aufwiesen, und überprüften sie auf das verräterische Leuchten von ionisiertem Wasserstoff. Diese Galaxien sind so lichtschwach, dass sie nur dank der Vergrößerungswirkung des Pandora-Clusters überhaupt sichtbar waren.
Unsere Beobachtungen bestätigten, dass diese kleinen Galaxien im sehr frühen Universum existierten. Darüber hinaus haben wir bestätigt, dass sie etwa viermal so viel ionisierendes Licht erzeugten, wie wir als „normal“ betrachten würden. Dies liegt am höchsten Ende unserer Vorhersagen, basierend auf unserem Verständnis der Entstehung früher Sterne.
Da diese Galaxien so viel ionisierendes Licht produzierten, hätte nur ein kleiner Teil davon entkommen müssen, um das Universum wieder zu ionisieren.
Bisher gingen wir davon aus, dass etwa 20 % aller ionisierenden Photonen aus diesen kleineren Galaxien entkommen müssten, wenn sie den Hauptbeitrag zur Reionisierung leisten würden. Unsere neuen Daten deuten darauf hin, dass sogar 5 % ausreichen würden – was ungefähr dem Anteil ionisierender Photonen entspricht, die wir aus modernen Galaxien entweichen sehen.
Jetzt können wir mit Sicherheit sagen, dass diese kleineren Galaxien in der Epoche der Reionisierung eine sehr große Rolle gespielt haben könnten. Unsere Studie basierte jedoch nur auf acht Galaxien, die sich alle in der Nähe einer einzigen Sichtlinie befanden. Um unsere Ergebnisse zu bestätigen, müssen wir verschiedene Teile des Himmels betrachten.
Wir haben neue Beobachtungen geplant, die auf andere große Galaxienhaufen anderswo im Universum abzielen, um noch stärker vergrößerte, lichtschwache Galaxien zum Testen zu finden. Wenn alles gut geht, werden wir in ein paar Jahren einige Antworten haben.
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