Endlich wissen wir, was in der Morgendämmerung der Zeit das Licht der Welt erleuchtete: ScienceAlert

Endlich wissen wir, was Licht in die dunkle, formlose Leere des frühen Universums brachte.

Den Daten der Weltraumteleskope Hubble und James Webb zufolge waren die Ursprünge frei fliegender Photonen in der frühen kosmischen Morgendämmerung kleine Zwerggalaxien, die sich mit Leben entzündeten und den mysteriösen Wasserstoffnebel beseitigten, der den intergalaktischen Raum erfüllte.

„Diese Entdeckung zeigt die entscheidende Rolle, die sehr lichtschwache Galaxien in der Entwicklung des frühen Universums spielten.“ sagt die Astrophysikerin Irina Chemerinska Vom Institut für Astrophysik in Paris.

„Sie erzeugen ionisierende Photonen, die während der kosmischen Reionisierung neutralen Wasserstoff in ionisiertes Plasma umwandeln. Dies unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses von Galaxien mit geringer Masse für die Gestaltung der Geschichte des Universums.“

Zu Beginn des Universums, wenige Minuten nach dem Urknall, war der Weltraum mit einem heißen, dichten Nebel aus ionisiertem Plasma gefüllt. Das wenige Licht, das es gab, hätte diesen Nebel nicht durchdringen können; Einfach ausgedrückt würden die Photonen von den umherschwebenden freien Elektronen gestreut, was das Universum effektiv dunkel machen würde.

Als sich das Universum nach etwa 300.000 Jahren abkühlte, begannen Protonen und Elektronen zusammenzukommen und neutrales Wasserstoffgas (und etwas Helium) zu bilden. Die meisten Lichtwellenlängen konnten dieses neutrale Medium durchdringen, es gab jedoch nur sehr wenige Lichtquellen, um es zu erzeugen. Doch aus Wasserstoff und Helium wurden die ersten Sterne geboren.

Diese ersten Sterne lieferten Strahlung, die stark genug war, um Elektronen aus ihren Kernen herauszuschlagen und das Gas zu reionisieren. Allerdings hatte sich das Universum zu diesem Zeitpunkt bereits so stark ausgedehnt, dass sich das Gas ausbreitete und das Leuchten des Lichts nicht mehr verhindern konnte. Etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, dem Ende der kosmischen Morgendämmerung, wurde das Universum vollständig reionisiert. Ta-da! Die Lichter waren an.

Aber weil es in der kosmischen Morgendämmerung so viel Dunkelheit gibt und weil sie zeitlich und räumlich so schwach und weit entfernt ist, hatten wir Schwierigkeiten zu erkennen, was da ist. Wissenschaftler dachten, dass die Quellen, die für den Großteil dieser Leere verantwortlich sind, mächtig sein müssen – zum Beispiel massereiche Schwarze Löcher, deren Ansammlung leuchtendes Licht erzeugt, und massereiche Galaxien inmitten der Sternentstehung (kleine Sterne produzieren viel ultraviolettes Licht).

Das James-Webb-Weltraumteleskop wurde unter anderem entwickelt, um in die kosmische Morgendämmerung zu blicken und herauszufinden, was sich dort verbirgt. Es war sehr erfolgreich und enthüllte alle möglichen Überraschungen über diesen entscheidenden Zeitpunkt in der Entstehung unseres Universums. Überraschenderweise deuten Teleskopbeobachtungen nun darauf hin, dass Zwerggalaxien die Hauptakteure bei der Reionisierung sind.

Ein internationales Team unter der Leitung des Astrophysikers Hakim Atiq vom Institut für Astrophysik in Paris stützte sich auf Daten des James Webb-Weltraumteleskops über einen Galaxienhaufen namens Abell 2744, ergänzt durch Daten von Hubble. Abell 2744 ist so dicht, dass die Raumzeit es umhüllt und eine kosmische Linse bildet; Jedes entfernte Licht, das durch die Raumzeit zu uns gelangt, wird vergrößert. Dies ermöglichte es den Forschern, kleine Zwerggalaxien nahe der kosmischen Morgendämmerung zu sehen.

Anschließend nutzten sie das James-Webb-Weltraumteleskop, um detaillierte Spektren dieser kleinen Galaxien zu erhalten. Ihre Analyse ergab, dass diese Zwerggalaxien nicht nur die am häufigsten vorkommende Galaxienart im frühen Universum sind, sondern auch viel heller als erwartet. Tatsächlich zeigen die Untersuchungen des Teams, dass Zwerggalaxien 100 zu eins zahlreicher sind als große Galaxien und dass ihre kollektive Strahlungsleistung das Vierfache der ionisierenden Strahlung beträgt, die normalerweise für massereichere Galaxien angenommen wird.

„Zusammengenommen geben diese kosmischen Kräfte genug Energie ab, um ihre Arbeit zu erledigen.“ Atik sagt. „Trotz ihrer geringen Größe produzieren diese Galaxien mit geringer Masse energiereiche Strahlung im Überfluss, und ihr Überfluss in diesem Zeitraum ist so groß, dass ihre kollektive Wirkung den gesamten Zustand des Universums verändern könnte.“

Es ist der bisher beste Beweis für die Kraft, die hinter der Reionisierung steckt, aber es gibt noch viel zu tun. Die Forscher betrachteten einen kleinen Ausschnitt des Himmels; Sie müssen sicherstellen, dass es sich bei ihrer Stichprobe nicht nur um eine anomale Ansammlung von Zwerggalaxien handelt, sondern um eine repräsentative Stichprobe der gesamten Population im kosmischen Morgengrauen.

Sie beabsichtigen, weitere kosmische Linsenregionen am Himmel zu untersuchen, um eine breitere Stichprobe früher Galaxienhaufen zu erhalten. Aber gerade in dieser Stichprobe waren die Ergebnisse unglaublich dramatisch. Seit wir davon wissen, suchen Wissenschaftler nach Antworten zum Thema Reionisierung. Wir stehen kurz davor, den Nebel endlich zu lichten.

„Mit dem James Webb-Weltraumteleskop haben wir nun Neuland betreten.“ sagt die Astrophysikerin Thimya Nanayakkara Von der Swinburne University of Technology in Australien.

„Diese Arbeit wirft weitere spannende Fragen auf, die wir bei unseren Bemühungen, die Evolutionsgeschichte unserer Anfänge aufzuzeichnen, beantworten müssen.“

Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur.