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Kosmologie: Zeigt eine Galaxie, wie das Universum reionisiert wurde?

Die ersten Sterne in jungen Galaxien lieferten vermutlich einen hohen Beitrag zur Reionisation des frühen Universums, so dass es durchsichtig wurde. Die damaligen Vorgänge sind nur schwierig zu beobachten. Nun zeigt uns eine nicht allzu ferne Galaxie, welche Prozesse dabei eine Rolle gespielt haben könnten.
Nahe Starburst-Galaxie

Die Astronomin Sanchayeeta Borthakur von der John Hopkins University in Baltimore und ihre Kollegen beobachteten eine Galaxie, die aufzeigt, wie aktive Sternentstehungsregionen in frühen Galaxien zur Reionisation des Universums beigetragen haben könnten. Die Galaxie mit der Katalogbezeichnung J092159.38+450912.3 (kurz: J0921+4509) liegt in einer Entfernung von "nur" drei Milliarden Lichtjahren im Sternbild Großer Bär und weist eine extrem kompakte Sternentstehungsregion mit einem Durchmesser von rund 650 Lichtjahren auf. Mit einer Rate von rund 50 Sonnenmassen pro Jahr entstehen dort mehrere Milliarden von jungen Sternen. Solche Regionen werden als "dominante zentrale Objekte" (englisch: dominant central objects oder DCOs) bezeichnet. In diesen dichten Sternentstehungsgebieten können sich starke Winde bilden, die in der Lage sind, das umliegende Gas mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000 Kilometern pro Sekunde fortzublasen. Durch die geöffneten Lücken kann dann ionisierende Strahlung in den interstellaren Raum entweichen.

Ionisierende Strahlung entweicht aus Galaxie
Ionisierende Strahlung entweicht aus Galaxie | Heftige Winde blasen das absorbierende Gas fort, welches das kompakte Sternentstehungsgebiet umgibt. Dabei entstehen Lücken, durch die ionisierende Strahlung in das interstellare Medium entweichen kann. Spektren im Ultravioletten können dabei helfen, diese entwichene Strahlung (Lyman-Kontinuum) ausfindig zu machen. Dieser Mechanismus könnte zur Reionisation des jungen Universums beigetragen haben.

Die Beobachtung eines solchen Prozesses ist wichtig, um zu verstehen, wie das junge Universum reionisiert wurde. Rund 380 000 Jahre nach dem Urknall kühlte der Kosmos so weit ab, dass sich die Protonen mit den freien Elektronen verbinden konnten. Dabei entstand neutraler Wasserstoff, und bis zur Bildung der ersten Sterne blieb das Universum vorerst dunkel. Bei der Entstehung der ersten Galaxien war der Raum in einem hohen Maß mit dem neutralen Wasserstoffgas gefüllt, dass es nur eingeschränkt lichtdurchlässig war. Die Strahlung der ersten Sterne wurde größtenteils absorbiert. Deswegen ist diese Phase – etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall – für heutige Beobachtungen nicht zugänglich. Erst im Verlauf der nächsten rund 800 Millionen Jahre wurde das Gas wieder ionisiert, die Wasserstoffkerne von ihren Elektronen getrennt und das Universum durchsichtig. Für diesen Vorgang waren Photonen bei Wellenlängen im Ultravioletten mit Energien von mindestens 13,6 Elektronvolt notwendig.

Weil junge Sterne dieses energiereiche Licht produzieren können, gehen Forscher davon aus, dass die ersten großen Sternansammlungen – aber auch Zwerggalaxien – im frühen Universum der Schlüssel zur Lösung des Problems sein könnten. Allerdings lassen sie sich wegen ihrer extrem großen Entfernungen und wegen des dichten Gases, in dem die Sternentstehungsgebiete eingebettet sind, nur begrenzt beobachten. Daher ist die aktuelle Arbeit um die "nahe" Galaxie J0921+4509 von besonderem Interesse, da sie aufzeigt, wie die Strahlung in ähnlichen Galaxien entweichen konnte. Mit ihren Beobachtungen stellten die Astronomen fest, dass die Hülle aus neutralem Gas, die das zentrale Objekt umgibt, Löcher aufweist. Sie wurden vermutlich durch die ungewöhnlich heftigen stellaren Winde und die intensive Strahlung aus dem Sternentstehungsgebiet erzeugt. Insgesamt schätzen die Forscher, dass rund 21 Prozent der gesamten ionisierenden Strahlung auf diese Weise aus der Galaxie in das interstellare Medium entweicht. Darüber hinaus weisen die indirekten Methoden der Forscher einen Weg, wie in Zukunft auch im frühen Universum ähnliche Objekte gefunden werden können.

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