Das dunkle Zeitalter des Universums: Wie unser Kosmos überlebt hat

Versteckte Galaxien hinter kosmischem Nebelschleier gefunden

Das Herschel-Weltraumteleskop der ESA hat entdeckt, dass bisher unbekannte ferne Galaxien für einen kosmischen Nebel aus Infrarotstrahlung verantwortlich sind. Die Galaxien gehören zu den lichtschwächsten und am weitesten entfernten Objekten, die Herschel gesehen hat, und öffnen ein neues Fenster zur Geburt von Sternen im frühen Universum. Bis heute ist es das sensibelste Bild des Universums, das mit Herschel aufgenommen wurde. (Bildnachweis: ESA/PEP-Konsortium)



Die dunklen Zeitalter des Universums – eine Ära der Dunkelheit, die vor den ersten Sternen und Galaxien existierte – bleiben größtenteils ein Rätsel, weil es so wenig davon zu sehen gibt, aber Wissenschaftler wollen sie intensiv beleuchten, um Geheimnisse darüber zu erfahren, wie es geht das Universum entstand.



„Das dunkle Zeitalter repräsentiert unsere Ursprünge – als sich die allerersten Sterne bildeten und die schweren Elemente schufen, aus denen wir heute bestehen“, sagte der theoretische Astrophysiker Abraham Loeb, Vorsitzender der Astronomieabteilung der Harvard University.

Forscher entwickeln nun Werkzeuge, um in diese bislang rätselhafte Zeit zurückzublicken. Um die Dinge ins rechte Licht zu rücken, schätzen Astronomen, dass die Das Universum ist 13,7 Milliarden Jahre alt .



'Unsere Existenz ist das Ergebnis dieser ersten Generation von Sternen. Wenn wir also das dunkle Zeitalter untersuchen, erforschen wir unsere Ursprünge', sagt Loeb, der auch Autor von 'How Did The First Stars and Galaxies Form?' (Princeton University Press, 2010), sagte guesswhozoo.com.

Erst Licht, dann Dunkelheit, dann wieder Licht

Vor den dunklen Zeiten des Universums war der Kosmos so heiß, dass alle existierenden Atome in positiv geladene Kerne und negativ geladene Elektronen aufgespalten wurden. Diese elektrisch geladenen Ionen blockierten jegliches Licht daran, sich frei zu bewegen.



Ungefähr 400.000 Jahre nach dem Urknall kühlte sich das Universum so weit ab, dass sich diese Ionen zu Atomen rekombinieren und das erste Licht im Kosmos, das des Urknalls, endlich leuchten konnte. Was jedoch als nächstes kam, waren die dunklen Zeitalter des Universums – es gab kein anderes Licht, da die Sterne noch nicht geboren waren.[ Infografik-Tour: Geschichte & Struktur des Universums ]

Aktuelle Modelle des Universums deuten darauf hin, dass sich die ersten Galaxien etwa 100 Millionen Jahre nach dem Urknall bildeten und damit den Anfang vom Ende des dunklen Zeitalters markierten. Dieser Prozess der Sternen- und Galaxienentstehung setzte sich allmählich fort, bis praktisch der gesamte Wasserstoff und das Helium, aus dem der größte Teil des Universums besteht, etwa 500 Millionen Jahre nach dem Urknall erneut ionisiert waren, diesmal durch Sternenlicht.

Geheimnisse warten darauf, gelöst zu werden



Es gibt viele Fragen, deren Beantwortung helfen könnte, mehr über das dunkle Zeitalter zu erfahren. Woher kamen zum Beispiel die monströs großen Schwarzen Löcher, die im Herzen praktisch aller großen Galaxien zu sehen sind?

'Die Milchstraße hat ein Schwarzes Loch, das etwa 4 Millionen Mal so groß ist wie die Masse der Sonne, und einige Galaxien haben Schwarze Löcher, die eine Milliarde Sonnenmassen groß sind', sagte Loeb. Dies gilt offenbar sogar für alte Galaxien wie ULAS J1120+0641 , die offenbar nur 770 Millionen Jahre nach dem Urknall ein zentrales Schwarzes Loch hatten, das 2 Milliarden Mal so groß wie die Masse der Sonne war.

'Das ist nicht viel Zeit, um solche Schwarzen Löcher zu bauen', sagte Loeb. „Wie sind diese entstanden? Was sind die Samen dieser Schwarzen Löcher?'

Darüber hinaus ist ein großes Rätsel des dunklen Zeitalters, wie dunkle Materie – die noch nicht identifizierte Materie, die etwa 85 Prozent der gesamten Materie im Universum ausmacht – die Entstehung der ersten Galaxien beeinflusst haben könnte. Diese Frage wird durch die Tatsache verschärft, 'dass wir nicht wissen, was die Natur der Dunklen Materie ist', sagte Loeb.

Derzeit ist der führende Kandidaten für dunkle Materie sind Teilchen, die mit normaler Materie und untereinander nur schwach wechselwirken. Loeb fragt sich jedoch, ob Teilchen der Dunklen Materie angesichts des Verhaltens naher kleiner Galaxien tatsächlich stärker miteinander interagieren, als Forscher allgemein vermuten.

'Wenn wir davon ausgehen, dass die Dunkle Materie nicht interagiert, sollte es viele Satellitengalaxien um sie herum geben, wenn Menschen Simulationen der Entwicklung von Galaxien wie der Milchstraße durchführen', sagte Loeb. „Wenn die Menschen jedoch die Satellitengalaxienpopulation der Milchstraße betrachten, finden sie viel weniger als die vorhergesagte Zahl, und die abgeleitete Verteilung der Dunklen Materie innerhalb dieser Zwerggalaxien unterscheidet sich sehr von der, die auch für sie vorhergesagt wird. Vielleicht verhält sich dunkle Materie anders als erwartet.'

Ein weiteres Rätsel ist, wie die ersten Sterne aussahen. Durch die unglaubliche Hitze und den Druck in den Kernen dieser Sterne wurden relativ einfache Elemente wie Wasserstoff und Helium zu schwereren Elementen wie dem Kohlenstoff, auf dem das Leben, wie wir es kennen, basiert, und dem Sauerstoff, den wir atmen, geschmiedet.

'Derzeit glauben wir, dass die allerersten Sterne massereicher waren als die Sonne – zehnmal, vielleicht sogar 100 mal massereicher – und sehr kurzlebig waren, vielleicht nur ein paar Millionen Jahre alt', sagte Loeb.

Es gibt jedoch Berechnungen, die darauf hindeuten, dass sich damals unter Umständen kleinere Sterne gebildet haben könnten. 'Diese wären sehr arm an schweren Elementen, und wir könnten sie heute, wenn sie existieren, im Halo der Milchstraße sehen können', sagte Loeb. „Waren die ersten Sterne anders als die heutigen? Wenn wir können, würden wir sie gerne sehen, um es herauszufinden.' [ In 10 einfachen Schritten vom Urknall bis jetzt ]

Geheimnisse des dunklen Zeitalters

Um das dunkle Zeitalter zu erforschen, verfolgen Wissenschaftler einen Weg, nach den frühesten Sternen und Galaxien zu suchen. Da es Licht braucht, um zu reisen, muss auch Licht, das von weit her kam, von vor langer Zeit gekommen sein. Daher schauen Astronomen tief in den Weltraum, um in der Zeit zurückzublicken.

„Es ist ähnlich wie in der Archäologie – je tiefer man gräbt, desto mehr alte Schichten entdeckt man“, sagte Loeb. 'Hier graben wir im Wesentlichen im Weltraum.'

Ein wichtiges Werkzeug für die Betrachtung der antiken Vergangenheit hat in letzter Zeit wegen seiner Verzögerungen und Kosten eine große Kontroverse ausgelöst – das James Webb-Weltraumteleskop. Sollte dieses Weltraumobservatorium jedoch jemals fliegen, könnte es helfen, viel über das frühe Universum zu verraten, indem es das extrem schwache Licht der ersten Galaxien einfängt.

'Dieses Teleskop ist die beste Hoffnung, die wir haben, um die erste Generation von Galaxien tatsächlich abzubilden', sagte Loeb.

Eine andere Strategie, um mehr über das dunkle Zeitalter zu erfahren, wäre, sich die Narben anzusehen, die frühe Sterne und Galaxien dem sie umgebenden Wasserstoff zugefügt haben. Auch kalter Wasserstoff gibt Licht in Form von Radiowellen mit einer spezifischen Wellenlänge von 21 Zentimetern ab. Durch Einstellen dieser Wellenlänge konnten die Wissenschaftler somit sehen, wie sich dieser Wasserstoff im Laufe der Zeit als Reaktion auf die Sternenstrahlung veränderte.

Eine Reihe von Radioteleskop-Arrays, die sich in der Entwicklung befinden, werden diese 21-Zentimeter-Radiowellen erkennen, sagte Loeb. Dazu gehören das Murchison Widefield Array in Westaustralien, das Low-Frequency Array (über ganz Europa verteilt, das Primeval Structure Telescope in China, das Precision Array for Probing the Epoch of Reionization in Südafrika, das Giant Meterewave Radio Telescope in Indien und das Square Kilometer-Array, das entweder in Australien oder Südafrika gebaut werden soll.

Wissenschaftler können auch frühe Galaxien beobachten, indem sie mit Teleskopen wie dem Chandra-Röntgenobservatorium der NASA nach Röntgenstrahlen ihrer zentralen Schwarzen Löcher suchen. Zukünftige Forschung könnte auch die als Gravitationswellen bekannten Wellen in der Raumzeit nachweisen, die freigesetzt werden, wenn Schwarze Löcher aus frühen Galaxien miteinander verschmolzen.

Ein Projekt namens Advanced LIGO wird in wenigen Jahren über eine ausreichende Empfindlichkeit verfügen, um Schwerewellen aus der Verschmelzung von Schwarzen Löchern mit stellarer Masse in nahegelegenen Galaxien zu sehen, sagte Loeb. Ein noch ehrgeizigeres Projekt namens LISA, das Fusionen von Supermassive Schwarze Löcher in fernen Galaxien stand einst in den Büchern, aber Haushaltsprobleme haben es vorerst offiziell abgeschafft.

„Es wird sich immer lohnen, so viel wie möglich vom Himmel zu betrachten“, sagte Loeb. 'Man weiß nie, was man finden könnte.'

Es dauerte etwas mehr als sieben Tage, um das Universum, wie wir es heute kennen, zu erschaffen. guesswhozoo.com befasst sich in unserer achtteiligen Serie mit den Geheimnissen des Himmels: Die Geschichte & Zukunft des Kosmos. Dies ist Teil 6 dieser Serie.