Was beendete das „dunkle Zeitalter“ des frühen Universums? Neue Webb-Daten bringen uns der Lösung des Rätsels näher

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 Lichtquelle gefüllt.

Langsam, über Hunderte Millionen Jahre hinweg, wurde das Gas durch die Schwerkraft zu Klumpen zusammengezogen, die schließlich groß genug wurden, um sich zu entzünden. Das waren die ersten Sterne.

Zunächst reichte ihr Licht nicht weit, da ein Großteil davon von einem Wasserstoffgasnebel absorbiert wurde. Als sich jedoch mehr Sterne bildeten, erzeugten sie genug Licht, um den Nebel durch „Reionisierung“ des Gases zu verbrennen und so das transparente Universum mit den hellen Lichtflecken 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 einer in „Nature“ veröffentlichten Forschung verwendeten wir einen gigantischen Galaxienhaufen als Lupe, um schwache Relikte aus dieser Zeit zu betrachten, und fanden heraus, 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 primäre reionisierende Kraft im Universum sind, aber wie sie dorthin gelangten, war unklar. Wir wissen, dass Sterne in Galaxien viele ionisierende Photonen erzeugen sollten, aber diese Photonen müssen aus Staub und Gas in ihrer eigenen Galaxie entkommen, um Wasserstoff im Raum zwischen Galaxien zu ionisieren.

Es ist noch nicht klar, welche Art von Galaxien in der Lage wären, genügend Photonen zu produzieren und auszusenden, um ihre Aufgabe zu erfüllen. (Und tatsächlich glauben einige, dass exotischere Objekte wie große Schwarze Löcher dafür verantwortlich sein könnten.)

Unter den Befürwortern der Galaxientheorie gibt es zwei Lager.

Der erste geht davon aus, dass riesige und massereiche Galaxien die ionisierenden Photonen erzeugten. Im frühen Universum gab es nicht viele dieser Galaxien, aber jede produzierte viel Licht. Wenn es also einem bestimmten Teil dieses Lichts gelungen wäre, zu entkommen, hätte dies ausreichen können, um das Universum wieder zu ionisieren.

Das zweite Lager meint, es sei besser, Riesengalaxien zu ignorieren und sich auf die große Zahl viel kleinerer Galaxien im frühen Universum zu konzentrieren. Jeder von ihnen hätte viel weniger ionisierendes Licht erzeugt, aber angesichts ihrer großen Zahl hätten sie das Zeitalter der Reionisierung auslösen können.

Eine Lupe mit einer Breite von 4 Millionen Lichtjahren

Der Versuch, irgendetwas im frühen Universum zu betrachten, ist sehr schwierig. Massereiche 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 einige der leuchtschwächsten Galaxien der Welt beobachten und nutzten daher eine riesige Galaxiengruppe namens Pandora Cluster als Lupe. Die enorme Masse des Clusters verzerrt Raum und Zeit und verstärkt das Licht von Objekten dahinter.

Im Rahmen des UNCOVER-Programms haben wir das James Webb-Weltraumteleskop verwendet, um vergrößerte Infrarotbilder schwacher Galaxien hinter dem Pandora-Cluster zu beobachten.

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 Untersuchung ist teuer, daher können wir nur acht Galaxien detaillierter untersuchen.)

Der helle Schein von Wasserstoff

Wir wählten einige Quellen aus, die etwa 0,5 % der Helligkeit unserer damaligen Milchstraßengalaxie aufwiesen, und überprüften sie auf das verräterische Leuchten von ionisiertem Wasserstoff. Diese Galaxien sind so lichtschwach, dass sie nur dank der Vergrößerungswirkung des Pandora-Haufens sichtbar waren.

Unsere Beobachtungen bestätigten, dass diese kleinen Galaxien ganz am Anfang des Universums existierten. Darüber hinaus haben wir bestätigt, dass sie etwa viermal mehr ionisierendes Licht erzeugten als wir als „normal“ betrachten. Dies ist das höchste Niveau unserer Vorhersagen, basierend auf unserem Verständnis der Entstehung der ersten Sterne.

Da diese Galaxien so viel ionisierendes Licht produzierten, dürfte nur ein kleiner Teil davon entkommen sein, um das Universum zu reionisieren.

Bisher gingen wir davon aus, dass etwa 20 % aller ionisierenden Photonen aus diesen kleineren Galaxien entkommen müssten, wenn sie maßgeblich zur Reionisierung beitragen würden. Unsere neuen Daten deuten darauf hin, dass sogar 5 % ausreichen würden, was ungefähr dem Anteil der ionisierenden Photonen entspricht, die wir aus modernen Galaxien entweichen sehen.

Wir können jetzt mit Sicherheit sagen, dass diese kleineren Galaxien während der Reionisierungszeit eine sehr wichtige Rolle gespielt haben könnten. Unsere Studie umfasste jedoch nur acht Galaxien, die sich alle in der Nähe einer einzigen Sichtlinie befanden. Um unsere Ergebnisse zu bestätigen, müssen wir verschiedene Teile des Himmels beobachten.

Wir haben neue Beobachtungen geplant, die auf andere große Galaxienhaufen anderswo im Universum abzielen, um noch stärker vergrößerte und schwächere Galaxien zum Testen zu finden. Wenn alles gut geht, werden wir in ein paar Jahren Antworten haben.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.