Heute sind riesige Flächen des Weltalls kristallklar, aber das war nicht immer so. In seiner Kindheit war das Universum von einem „Nebel“ erfüllt, der es undurchsichtig machte und die ersten Sterne und Galaxien verhüllte. Die kommende NASA-Studie Nancy Grace Roman Weltraumteleskop wird den anschließenden Übergang des Universums zu der strahlenden Sternenlandschaft untersuchen, die wir heute sehen – eine Ära, die als kosmische Morgendämmerung bekannt ist.
„Etwas sehr Grundlegendes an der Natur des Universums hat sich während dieser Zeit geändert“, sagte Michelle Thaller, Astrophysikerin am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Dank Romans großer, scharfer Infrarotansicht können wir vielleicht endlich herausfinden, was während eines kritischen kosmischen Wendepunkts passiert ist.“
Licht aus, Licht an
Kurz nach seiner Entstehung war der Kosmos ein glühendes Meer aus Partikeln und Strahlung. Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, konnten positiv geladene Protonen negativ geladene Elektronen einfangen und neutrale Atome bilden (hauptsächlich Wasserstoff und etwas Helium). Das waren großartige Neuigkeiten für die Sterne und Galaxien, zu denen die Atome letztendlich werden sollten, aber schlechte Neuigkeiten für das Licht!
Es dauerte wahrscheinlich lange, bis sich der gasförmige Wasserstoff und das Helium zu Sternen vereinigten, die dann durch ihre Gravitation die ersten Galaxien bildeten. Aber selbst als die Sterne zu leuchten begannen, konnte ihr Licht nicht sehr weit reisen, bevor es auf neutrale Atome traf und von ihnen absorbiert wurde. Diese Periode, bekannt als das kosmische dunkle Zeitalter, dauerte etwa 380.000 bis 200 Millionen Jahre nach dem Urknall.
Dann lichtete sich der Nebel langsam, als im Verlauf der nächsten Hundert Millionen Jahre immer mehr neutrale Atome auseinanderbrachen: ein Zeitraum, der als kosmische Morgendämmerung bezeichnet wird.
„Wir sind sehr neugierig, wie dieser Prozess ablief“, sagte Aaron Yung, ein Giacconi Fellow am Space Telescope Science Institute in Baltimore, der Romans frühe Beobachtungen des Universums plant. „Romans große, scharfe Sicht auf den Weltraum wird uns helfen, verschiedene Erklärungen abzuwägen.“
Ein Audioclip im Mini-Podcast-Stil, in dem Michelle Thaller die kosmische Morgendämmerung erklärt. Bildnachweis: NASA Goddard Space Flight Center
Hauptverdächtige
Es könnte sein, dass frühe Galaxien größtenteils für das energiereiche Licht verantwortlich sind, das die neutralen Atome aufspaltete. Auch die ersten schwarzen Löcher könnten eine Rolle gespielt haben. Roman wird weit und breit nachsehen, um beide möglichen Schuldigen zu untersuchen.
„Roman wird sich besonders gut darin eignen, die Bausteine kosmischer Strukturen zu finden, wie Galaxienhaufen, die sich später bilden“, sagte Takahiro Morishita, ein Assistenzwissenschaftler am Caltech/IPAC in Pasadena, Kalifornien, der die kosmische Morgenröte erforscht hat. „Es wird schnell die dichtesten Regionen identifizieren, in denen sich der ‚Nebel‘ am meisten lichtet, was Roman zu einer Schlüsselmission macht, um die frühe Galaxienentwicklung und die kosmische Morgenröte zu erforschen.“
Die frühesten Sterne unterschieden sich wahrscheinlich stark von den heutigen. Als die Schwerkraft begann, Materie zusammenzuziehen, war das Universum sehr dicht. Sterne wurden wahrscheinlich hundert- oder tausendmal massereicher als die Sonne und strahlten große Mengen hochenergetischer Strahlung aus. Die Schwerkraft drängte die jungen Sterne zusammen und bildete Galaxien, und ihre kumulativen Explosionen könnten in den sie umgebenden Raumblasen erneut Elektronen von Protonen getrennt haben.
„Man könnte es die Party am Anfang des Universums nennen“, sagte Thaller. „Wir haben nie die Geburt der allerersten Sterne und Galaxien gesehen, aber es muss spektakulär gewesen sein!“
Doch diese Schwergewichtssterne hatten nur eine kurze Lebensdauer. Wissenschaftler glauben, dass sie schnell kollabierten und schwarze Löcher zurückließen – Objekte mit einer so extremen Schwerkraft, dass nicht einmal Licht ihren Fängen entkommen kann. Da das junge Universum aufgrund seiner noch nicht sehr langen Expansion auch kleiner war, könnten Horden dieser schwarzen Löcher zu noch größeren verschmelzen – bis zu Millionen oder sogar Milliarden Mal der Masse der Sonne.
Supermassive Schwarze Löcher könnten dabei geholfen haben, den Wasserstoffnebel zu lichten, der das frühe Universum durchdrang. Heißes Material, das um Schwarze Löcher in den hellen Zentren aktiver Galaxien, sogenannte Quasare, wirbelt, bevor es in sie einfällt, kann extreme Temperaturen erzeugen und riesige, helle Jets intensiver Strahlung aussenden. Die Jets können sich über Hunderttausende von Lichtjahren erstrecken und jedem Atom auf ihrem Weg die Elektronen entreißen.
Auch das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA erforscht die kosmische Morgenröte und nutzt sein engeres, aber tieferes Sichtfeld, um das frühe Universum zu studieren. Durch die Kombination von Webbs Beobachtungen mit denen von Roman können Wissenschaftler ein viel vollständigeres Bild dieser Ära erstellen.
Bisher findet Webb mehr Quasare als erwartet, wenn man ihre Seltenheit und Webbs kleines Sichtfeld bedenkt. Romans verkleinerte Ansicht wird den Astronomen helfen zu verstehen, was vor sich geht, indem sie sehen, wie häufig Quasare wirklich sind. Wahrscheinlich werden sie Zehntausende finden, verglichen mit der Handvoll, die Webb finden könnte.
„Mit einer stärkeren statistischen Stichprobe werden Astronomen in der Lage sein, eine breite Palette von Theorien zu testen, die von Webb-Beobachtungen inspiriert sind“, sagte Yung.
Der Blick zurück auf die ersten paar Hundert Millionen Jahre des Universums mit Romans großem Blick wird den Wissenschaftlern auch dabei helfen, herauszufinden, ob ein bestimmter Galaxientyp (beispielsweise massereichere) eine größere Rolle bei der Lichtung des Nebels gespielt hat.
„Es könnte sein, dass junge Galaxien den Prozess in Gang gesetzt haben und dann Quasare die Arbeit vollendet haben“, sagte Yung. Die Größe der aus dem Nebel geformten Blasen zu sehen, wird den Wissenschaftlern einen wichtigen Hinweis geben.
„Galaxien würden riesige Blasenhaufen um sich herum bilden, während Quasare große, kugelförmige Blasen erzeugen würden. Wir brauchen ein großes Sichtfeld wie das von Roman, um ihre Ausdehnung zu messen, da sie in beiden Fällen wahrscheinlich bis zu Millionen Lichtjahre breit sind – oft größer als das Sichtfeld von Webb.“
Roman wird Hand in Hand mit Webb zusammenarbeiten, um Hinweise darauf zu finden, wie Galaxien aus dem Urgas entstanden, das einst das Universum erfüllte, und wie ihre zentralen supermassiven schwarzen Löcher die Entstehung von Galaxien und Sternen beeinflussten. Die Beobachtungen werden helfen, die kosmischen Tagesanbruche aufzudecken, die unser Universum erleuchteten und letztlich das Leben auf der Erde ermöglichten.