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Frühes Universum: Licht der ersten Sterne nachgewiesen

Das Gammastrahlen-Teleskop FermiLaden...

Auch wenn die ersten Sterne des Universums nicht mehr existieren, so ist das einst von ihnen ausgesandte Licht doch noch als extrem schwacher Strahlungshintergrund (englisch: extragalactic background light, EBL) vorhanden. Darin kodiert sind Informationen über die damals vorhandenen physikalischen Bedingungen. Bisher gelang es nicht, den EBL direkt nachzuweisen, denn Objekte unseres Sonnensystems und des Milchstraßensystem verwischen die Strahlung. Ein Forscherteam um Markus Ackermann vom Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Zeuthen erbrachte nun aber einen indirekten Nachweis des EBL.

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 300 000 Jahre bis eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, gab es genügend energiereiches Licht, um das damals vorhandene Gas zu "reionisieren". Und sehr früh, 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.

Die Astronomen in Zeuthen untersuchten die 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 Ackermann suchten 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.

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