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Frühzeit des Kosmos: Nachricht von den ersten Sternen

Ein Radioteleskop in Australien hat möglicherweise Signale der allerersten Sterne aufgefangen - aus der Frühzeit des Kosmos. Schon damals scheint die Dunkle Materie den Ton angegeben zu haben.
So könnten die ersten Sterne des Universums ausgesehen haben

Wer im westaustralischen Outback auf die beiden Radioantennen von EDGES trifft, könnte sich zu einer Brotzeit eingeladen fühlen: Von Größe und Form geben die Empfänger gute Campingtische ab. Die Absicht von Judd Bowman (Arizona State University) und Alan Rogers (Massachusetts Institute of Technology) sowie einem Team von Radioastronomen, hier fernab der Zivilisation zwei Antennen 150 Meter voneinander entfernt in den roten Sand zu setzen, war aber keine gastronomische: EDGES steht für "Experiment to Detect Global EoR Signature", und EoR bedeutet in der Sprache der Kosmologie "Epoch of Reionization", zu Deutsch: Epoche der Reionisation. Während dieses Zeitalters, etwas mehr als 100 Millionen Jahre nach dem Urknall, brachten die allerersten Sterne erstmals Licht in den bis dahin dunklen Kosmos. Dieses Urlicht ist längst verblasst. Schaut man jedoch weit genug ins Universum zurück, dann sollte man Spuren dieses Leuchtens erkennen können. Genau das ist Rogers und Bowman nun offenbar gelungen, wie sie diese Woche in der Fachzeitschrift "Nature" berichten.

Der "Fingerabdruck" der allerersten Sterne zeigte sich demnach – gut verborgen – als schwaches Absorptionsmuster in der Strahlung des neutralen Wasserstoffs. Diese Strahlung, ihrer Wellenlänge wegen 21-Zentimeter-Strahlung genannt, entsteht beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen des Wasserstoffatoms. Jedes Atom kann zum einen im energetisch niedrigeren Grundzustand auftreten. Dann sind die Spins (man könnte auch sagen: die Rotationsrichtungen) des Wasserstoffkerns (des Protons) und des ihn umlaufenden Elektrons antiparallel gerichtet. Im "angeregten" Zustand sind die beiden Spins parallel. Beim Übergang vom angeregten Zustand in den Grundzustand wird Energie in Form von langwelliger Radiostrahlung frei – diese hat eine Wellenlänge von 21 Zentimetern beziehungsweise 1420 Megahertz. Bei diesem Spinflip handelt es sich um einen so genannten verbotenen Übergang, denn ein Wasserstoffatom kann elf Millionen Jahre im angeregten Zustand verharren, bevor es zu einem Übergang kommt. Weil es aber im Weltall unvorstellbar große Mengen an Wasserstoff gibt – es ist das mit Abstand häufigste Element –, können Astronomen mit Hilfe der 21-Zentimeter-Strahlung die Verteilung des Wasserstoffs in der Milchstraße und auch in anderen Galaxien verfolgen.

Das Universum 100 Millionen Jahre nach dem Urknall

Etwa 100 Millionen Jahre nach dem Urknall gab es nur Wolken aus Wasserstoff, ein wenig Helium und Spuren von Lithium. Hinzu kam die Mikrowellenstrahlung des kosmischen Hintergrunds, das Nachglühen des einst heißen Urknalls, und natürlich die Dunkle Materie. Auch damals emittierte das Wasserstoff seine 21-Zentimeter-Strahlung. Durch die Expansion des Universums erreicht uns diese Strahlung heute allerdings nicht mit ihrer Ruhefrequenz von 1420 MHz, sondern ist stark rotverschoben. Für die Strahlung aus dem Zeitalter der Reionisation, die Kosmologen zwischen 100 und 300 Millionen Jahre nach dem Urknall vermuten, ergeben sich Frequenzen zwischen 50 und 200 MHz. Das sind typische Radiofrequenzen, die schon mit einfachen Empfängern registriert werden können.

Das Zeitalter der Reionisation
Das Zeitalter der Reionisation | Nach dem Urknall war der Kosmos lange Zeit nachtschwarz. Erst der Beginn der Reionisation markierte das Ende der dunklen Ära. Zu dieser Zeit begann das Wasserstoffgas zu ionisieren. Seither wurde das meiste Gas im Universum in Ionen umgewandelt – sichtbar im Linienspektrum des Wasserstoffs. Allerdings ist noch immer Strahlung von Atomen aus der Zeit vor der Reionisation im Kosmos unterwegs. Diese niederfrequente Strahlung fangen die Astronomen mit LOFAR ein, um Erkenntnisse über den Beginn der Reionisation zu gewinnen.

Für Astronomen ist das Segen und Fluch zugleich. Einerseits benötigen sie keine aufwändigen und teuren Radioteleskope, um die Strahlung vom Anfang des Kosmos nachzuweisen – das Modell Campingtisch tut es bereits. Andererseits ist ihr detektivischer Spürsinn gefragt, um das kosmische Signal dem Wust aus anderen astronomischen und irdischen Sendern herauszufiltern: Der Bereich bis 300 MHz ist auf der Erde eines der meistgenutzten Frequenzbänder; hier funken Radio, Fernsehen, Navigationssysteme und Radar. Zwar ist der australische Outback als "radioleiser" Ort ein idealer und mit Bedacht gewählter Standort für EDGES. Doch selbst hier erfordert es Geschick, sämtliche Störungen herauszufiltern. Bowman, Rogers und ihr Team sind nach vielen Tests davon überzeugt, dass ihnen dieser Kunstgriff gelungen ist. Mehr noch: Die von ihrer Antenne aufgefangene Radiostrahlung zeigt eine charakteristische "Delle" zwischen 68 und 89 MHz, mit einem Zentrum bei 78 MHz. Hier kommen die ersten Sterne ins Spiel.

Das UV-Licht der Sterne heizte die Gase auf

Deren Licht änderte die Spielregeln: Zu Wasserstoff, Helium und der aus dem Urknall übrig gebliebenen Hintergrundstrahlung traten nämlich nun energiereiche Ultraviolett-Photonen des Sternlichts. Das UV-Licht drang in die Wasserstoffwolken ein und änderte den Anregungszustand der Atome, und zwar so, dass diese Photonen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds absorbieren konnten. Die globale Intensität der 21-Zentimeter-Strahlung nahm ab – so erklärt sich die Delle im empfangenen Radiospektrum. Der Beginn der Delle bei 68 MHz entspricht auf Grund der Rotverschiebung einem Zeitpunkt von 180 Millionen Jahren nach dem Urknall. Knapp 100 Millionen Jahre später (entsprechend der oberen Kante der Delle bei 89 MHz) hatten die Sterne das Wasserstoffgas so weit aufgeheizt, dass seine Temperatur die der Hintergrundstrahlung übertraf.

Diese aus dem Radiospektrum abgeleiteten Altersangaben entsprechen der theoretischen Erwartung. Doch es gibt auch Unerwartetes. Glaubt man den Messwerten, dann lag die Temperatur des Wasserstoffgases bei Beginn der Sternentstehung gerade einmal drei Grad über dem absoluten Nullpunkt. Hätte sich das Gas allein durch die Expansion in den 180 Millionen Jahren zuvor abgekühlt, hätte es wärmer sein müssen. Es muss also ein weiterer Kühlprozess mitgewirkt haben. Eine Möglichkeit: die Dunkle Materie. In einem weiteren "Nature"-Artikel berichtet Rennan Barkana von der Tel Aviv University, dass die hypothetischen Dunkle-Materie-Teilchen für die notwendige Abkühlung gesorgt haben könnten – falls ihre Masse nicht allzu viel größer ist als die eines Protons. Das wäre außergewöhnlich, denn im heutigen Kosmos scheint sich die Dunkle Materie allein durch ihre Gravitationswirkung bemerkbar zu machen. Ist die Beobachtung der Absorptionsstruktur bei 78 MHz also sogar ein Beweis für die Existenz der Dunklen Materie im frühen Kosmos?

So weit ist es noch nicht. Bislang ist das Signal nur von einem einzigen Experiment gesehen worden. Ein sehr wichtiger Schritt fehlt noch, das gestehen die Autoren in ihrem "Nature"-Aufsatz ein: "Auch wenn wir viele Test durchgeführt haben, um sicher zu sein, dass das beobachtete Profil von einer globalen Absorption des Mikrowellenhintergrunds durch Wasserstoffgas im frühen Universum stammt, benötigen wir die Bestätigung durch andere Instrumente."

Derzeit sind mehrere mit EDGES vergleichbare Experimente in Planung. Auch das europäische Radioteleskopnetzwerk LOFAR misst grundsätzlich ähnliche Frequenzen. Zwar sind seine Antennen nicht für das EDGES-Signal optimiert, wie Heino Falcke von der Radboud-Universität im niederländischen Nimwegen auf Anfrage erklärt: "Aber jetzt, wo man es weiß, könnte man vielleicht noch mal genauer nachschauen: Mit LOFARs AARTFAC-Erweiterung (ein besonderer Korrelator für die Low-Band-Antennen im Kern) kann man unter Umständen Fluktuationen in dem Frequenzbereich um 78 MHz messen." Solche Fluktuationen zwischen verschiedenen Himmelsrichtungen sollten auftreten, weil sich die ersten Sterne nicht überall gleichmäßig gebildet haben. Das wäre in gewisser Weise vergleichbar mit der Erforschung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, dessen globales Signal zuerst von einer recht einfachen Hornantenne entdeckt worden ist und dessen Fluktuationen später mit Satelliten genau vermessen wurden.

Wenn sich das EDGES-Signal als echt herausstellt, könnte das bahnbrechende Konsequenzen haben: Neben der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung böte die (rotverschobene) 21-Zentimeter-Strahlung dann eine weitere Möglichkeit, die Entwicklung des sehr jungen Universums zu erforschen. Die Entdeckung im australischen Outback wäre in diesem Fall ein echter Meilenstein für die Kosmologie.

09/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 09/2018

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