Mit der Zeit von rechts nach links zeigt diese Visualisierung die Bildung der ersten Sterne aus einem Dunst neutralen Wasserstoffs nach der kosmischen Morgendämmerung des Universums.
(Bild: © NASA / STScI)
Paul Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und Chefwissenschaftler am COSI Science Center. Sutter ist auch Gastgeber von Ask a Spaceman und Space Radio und führt AstroTours um die Welt. Sutter hat diesen Artikel zu Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.
Die vielleicht größte Offenbarung in den letzten hundert Jahren des Studiums des Universums ist, dass sich unser Zuhause mit der Zeit verändert und weiterentwickelt. Und das nicht nur auf geringfügige, unbedeutende Weise wie sich bewegende Sterne, komprimierende Gaswolken und massive Sterne, die bei katastrophalen Explosionen sterben. Nein, unser gesamter Kosmos hat in der fernen Vergangenheit mehr als einmal seinen fundamentalen Charakter verändert und seinen inneren Zustand auf globaler, dh universeller Ebene vollständig verändert.
Nehmen wir zum Beispiel die Tatsache, dass es zu einer Zeit in der nebligen, schlecht erinnerten Vergangenheit keine Sterne gab.
Vor dem ersten Licht
Wir kennen diese einfache Tatsache aufgrund der Existenz des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), eines Bades aus schwacher, aber anhaltender Strahlung, das das gesamte Universum durchnässt. Wenn Sie auf ein zufälliges Photon (ein bisschen Licht) stoßen, besteht eine gute Chance, dass es vom CMB stammt - dieses Licht nimmt mehr als 99,99 Prozent der gesamten Strahlung im Universum auf. Es ist ein übrig gebliebenes Relikt aus der Zeit, als das Universum erst 270.000 Jahre alt war und von einem heißen, aufgewühlten Plasma in eine neutrale Suppe überging (ohne positive oder negative Ladung). Dieser Übergang setzte weißglühende Strahlung frei, die sich im Laufe von 13,8 Milliarden Jahren abkühlte und in die Mikrowellen hinein dehnte, wodurch wir das Hintergrundlicht erhielten, das wir heute erfassen können. [Kosmischer Mikrowellenhintergrund: Urknallrelikt erklärt (Infografik)]
Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des CMB war das Universum etwa ein Millionstel seines gegenwärtigen Volumens und Tausende von Grad heißer. Es war auch fast vollständig einheitlich, mit Dichteunterschieden, die nicht größer als 1 Teil von 100.000 waren.
Also nicht gerade ein Zustand, in dem Sterne glücklich existieren könnten.
Die dunklen Zeiten
In den Millionen von Jahren nach der Veröffentlichung des CMB (in Astronomiekreisen liebevoll als "Rekombination" bekannt, aufgrund eines historischen Missverständnisses noch früherer Epochen) befand sich das Universum in einem merkwürdigen Zustand. Es gab ein anhaltendes Bad aus weißglühender Strahlung, aber diese Strahlung kühlte schnell ab, als das Universum seine unaufhaltsame Expansion fortsetzte. Es gab natürlich dunkle Materie, die sich um ihre eigenen Angelegenheiten kümmerte. Und da war das jetzt neutrale Gas, fast ausschließlich Wasserstoff und Helium, das schließlich aus seinen Kämpfen mit Strahlung befreit wurde und frei tun konnte, was es wollte.
Und was es freute, war, mit so viel von sich selbst wie möglich abzuhängen. Zum Glück musste es nicht sehr hart arbeiten: Im außerordentlich frühen Universum vergrößerten sich die mikroskopischen Quantenfluktuationen, um nur kleine Dichteunterschiede zu werden (und warum dies geschah, ist eine Geschichte für einen anderen Tag). Diese winzigen Dichteunterschiede hatten keinen Einfluss auf die größere kosmologische Ausdehnung, aber sie hatten Auswirkungen auf das Leben dieses neutralen Wasserstoffs. Jeder Fleck, der etwas dichter als der Durchschnitt war - selbst um ein winziges Stückchen - hatte eine etwas stärkere Anziehungskraft auf seine Nachbarn. Dieser verstärkte Zug ermutigte mehr Gas, sich der Partei anzuschließen, was den Gravitationsschlepper verstärkte, der noch mehr Nachbarn ermutigte und so weiter.
Wie laute Musik auf einer Hausparty, die als Sirenenlied fungiert, um mehr Nachtschwärmer zu ermutigen, wurde im Laufe von Millionen von Jahren das reiche Gas reicher und das arme Gas ärmer. Durch die einfache Schwerkraft wuchsen winzige Dichteunterschiede, die die ersten massiven Agglomerationen von Materie bildeten und ihre Umgebung entleerten.
Die "kosmische Morgendämmerung" bricht an
Irgendwo, irgendwo hatte ein Stück neutraler Wasserstoff Glück. Der innerste Kern, der Schichten auf überwältigende Schichten auf sich selbst stapelte, erreichte eine kritische Temperatur und Dichte, zwang die Atomkerne in einem komplizierten Muster zusammen, entzündete sich bei der Kernfusion und wandelte das Rohmaterial in Helium um. Dieser grausame Prozess setzte auch ein wenig Energie frei und blitzschnell wurde der erste Stern geboren.
Zum ersten Mal seit dem ersten Dutzend Minuten des Urknalls fanden in unserem Universum Kernreaktionen statt. Neue Lichtquellen, die den Kosmos bedeckten, überfluteten die einst leeren Hohlräume mit Strahlung. Wir sind uns jedoch nicht ganz sicher, wann dieses bedeutsame Ereignis eingetreten ist. Beobachtungen dieser Epoche sind außerordentlich schwierig. Zum einen verhindern die großen kosmologischen Entfernungen, dass selbst unsere stärksten Teleskope dieses erste Licht beobachten. Was es noch schlimmer macht, ist, dass das frühe Universum fast vollständig neutral war und neutrales Gas überhaupt nicht viel Licht emittiert. Erst wenn sich mehrere Generationen von Sternen zu Galaxien zusammenkleben, können wir sogar einen schwachen Hinweis auf dieses wichtige Zeitalter erhalten.
Wir vermuten, dass sich die ersten Sterne irgendwo in den ersten paar hundert Millionen Jahren des Universums gebildet haben. Es ist nicht viel später, dass wir direkte Beobachtungen von Galaxien, aktiven galaktischen Kernen und sogar den Anfängen von Galaxienhaufen haben - den massereichsten Strukturen, die schließlich im Universum entstehen werden. Irgendwann vor ihnen mussten die ersten Sterne eintreffen, aber nicht zu früh, denn die hektischen Bedingungen des Säuglingsuniversums hätten ihre Bildung verhindert.
Über dem Horizont
Obwohl das kommende James Webb-Weltraumteleskop in der Lage sein wird, frühe Galaxien mit ausgezeichneter Präzision zu lokalisieren und eine Fülle von Daten über das frühe Universum zu liefern, gibt uns das enge Sichtfeld des Teleskops nicht das ganze Bild dieser Ära. Wissenschaftler hoffen, dass einige der frühesten Galaxien Überreste der allerersten Sterne enthalten - oder sogar der Sterne selbst -, aber wir müssen abwarten und (buchstäblich) sehen.
Der andere Weg, die kosmische Morgendämmerung freizuschalten, ist eine überraschende Eigenart von neutralem Wasserstoff. Wenn die Quantenspins von Elektron und Proton zufällig kippen, emittiert der Wasserstoff Strahlung mit einer sehr spezifischen Wellenlänge: 21 Zentimeter. Diese Strahlung ermöglicht es uns, Taschen mit neutralem Wasserstoff in unserer heutigen Milchstraße abzubilden, aber die extremen Entfernungen zur kosmischen Morgendämmerung stellen eine ganz andere Herausforderung dar.
Das Problem ist, dass sich das Universum seit dieser längst toten Ära ausgedehnt hat, wodurch sich die gesamte intergalaktische Strahlung auf längere Wellenlängen ausdehnt. Heutzutage hat dieses ursprüngliche neutrale Wasserstoffsignal eine Wellenlänge von etwa 2 Metern, wodurch das Signal fest in den Funkbändern platziert wird. Und viele andere Dinge im Universum - Supernovae, galaktische Magnetfelder, Satelliten - sind bei denselben Frequenzen ziemlich laut und verdecken das schwache Signal aus den frühen Jahren des Universums.
Es gibt mehrere Missionen rund um den Globus, die versuchen, dieses saftige kosmische Morgensignal zu nutzen, sein ursprüngliches Flüstern aus der heutigen Kakophonie herauszuholen und die Geburt der ersten Sterne zu enthüllen. Aber jetzt müssen wir nur warten und zuhören.
Weitere Informationen erhalten Sie in der Folge "Was hat die kosmische Morgendämmerung geweckt?" im Ask A Spaceman-Podcast, verfügbar bei iTunes und im Internet unter http://www.askaspaceman.com. Vielen Dank an Joyce S. für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder folgen Sie Paul @ PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter. Folgen Sie uns auf @Spacedotcom, Facebook und Google+. Originalartikel auf Space.com.
