News | 02.11.2012 | Drucken | Teilen

Frühes Universum

Das Licht der ersten Sterne

Einem Forscherteam um Markus Ackermann vom Deutschen Elektronensynchrotron DESY in Zeuthen gelang der indirekte Nachweis des Lichts der frühesten Sterne. Sie untersuchten hierfür die Spektren weit entfernter aktiver Galaxien, so genannter Blazare, mit dem Weltraumteleskop Fermi im Gammastrahlenbereich.
Das Gammastrahlen-Teleskop Fermi
Das Gammastrahlen-Teleskop Fermi
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Das Universum durchlief nach dem Urknall eine Reihe wechselvoller Entwicklungsphasen: Die ersten Sterne bildeten sich und vergingen wieder, Galaxien entstanden, und die ersten großen kosmischen Leuchtfeuer, die Quasare, sandten ihr Licht aus. Bereits im frühen Kosmos, etwa 300 Millionen Jahre bis eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, gab es genügend energiereiches Licht, um das damals vorhandene Gas zu "reionisieren".

Bereits nach einigen hundert Millionen Jahren entstanden die ersten Sterne. Sie waren sehr massereich, überschritten oft das Hundertfache der Sonnenmasse und setzten enorme Mengen an ultravioletter Strahlung frei. Diese ionisierte das intergalaktische Medium aus neutralem Gas, das bislang das Licht absorbierte und für ein dunkles Universum sorgte. Erst durch die so genannte Reionisation wurde das Universum durchsichtig.

Obwohl die frühen Sterne nicht mehr existieren ist es prinzipiell möglich, Informationen über die damals vorhandenen physikalischen Bedingungen zu erhalten. Denn das einst ausgesandte Licht ist noch heute als extrem schwacher Strahlungshintergrund (englisch: extragalactic background light, EBL) vorhanden, und die gesuchten Informationen sind darin codiert. Bisher gelang es nicht, den EBL direkt nachzuweisen, denn Objekte unseres Sonnensystems und des Milchstraßensystem verwischen die Strahlung. Einen indirekten Nachweis des EBL erbrachte nun jedoch ein Forscherteam um Markus Ackermann vom Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Zeuthen. Dazu untersuchten die Astronomen Spektren einer besonderen Klasse aktiver Galaxien, den Blazaren, mit dem Satelliten Fermi im Gammastrahlenbereich.

Blazare, auch BL-Lacerta-Objekte genannt, sind starke Gammaquellen. Ihre energiereiche Strahlung entsteht in der Umgebung eines zentralen Schwarzen Lochs. Die Forscher um Markus Ackermann suchten in den mit Fermi aufgenommenen Gammaspektren einer Reihe von Blazaren gezielt nach dem "Fingerabdruck" des EBL und legten dabei den folgenden Gedanken zu Grunde: Die Photonen des EBL sollten mit den Gammaphotonen der Blazare zusammenstoßen und dabei ein Elektron-Positron-Paar erzeugen. Das hierfür erforderliche Gammaphoton würde nun im Spektrum des Blazars fehlen, was sich in den mit Fermi beobachteten Spektren als Absorptionsmerkmal nachweisen ließe. Um diese Signatur zu finden, nutzte das Team Messdaten, die das Large Area Telescope an Bord von Fermi im Energiebereich von 1 bis 500 Gigaelektronvolt in den ersten 46 Monaten der Mission gesammelt hatte. In diesem Energiebereich reagiert die Gammastrahlung der Blazare mit den EBL-Photonen des sichtbaren und ultravioletten Lichts.

Aus den rund 1000 Blazaren, die Fermi bisher detektierte, wählten die Forscher 150 Exemplare aus, die sich im Energiebereich oberhalb von drei Gigaelektronvolt deutlich abzeichnen. Ihre Auswahl deckt einen Rotverschiebungsbereich von z = 0,03 bis 1,6 ab. Nun untersuchten sie die Spektren der Blazare in einem Energiebereich unterhalb von 25 Gigaelektronvolt, denn hier sollte sich die unveränderte spektrale Signatur der Blazare zeigen. Von diesen gemessenen Spektren extrapolierten die Astronomen dann den Verlauf in höheren Energiebereichen. Anschließend kombinierten sie alle Spektren und konnten so die durch die Photonenabsorption hervorgerufene Veränderung bestimmen.

Im Bereich höherer Rotverschiebungen von z = 0,5 bs 1,6 zeigte sich dann deutlich die gesuchte Absorption, die von der Strahlung der ersten Sterngeneration im Universum beeinflusst ist und Rückschlüsse auf die damals freigesetzte Strahlungsmenge erlaubt. Die Forscher konnten aus den Messdaten von Fermi ableiten, dass die meisten Sterne der ersten Generation bei einer Rotverschiebung um z = 10 entstanden.

© Sterne und Weltraum
Das Gammastrahlen-Teleskop Fermi

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Ackermann, M. et al.: "The imprint of the extragalactic background light in the gamma-ray spectra of blazars". Sciencexpress, 10.1126/science.1227160
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