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Kosmologie: Zwerggalaxien erhellten junges Universum

Simulationen zeigen, dass im jungen Universum bis rund 900 Millionen Jahre nach dem Urknall Zwerggalaxien eine bedeutende Rolle spielten. Die ultraviolette Strahlung ihrer Sterne strömte ins intergalaktische Medium und trug erheblich zur Ionisierung des Kosmos bei. Damit wurde das Ende des dunklen Zeitalters eingeläutet.
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Obwohl Astronomen den Mikrowellenhintergrund beobachten, der das Universum in einem frühen Alter von rund 380 000 Jahren zeigt, folgte kurz darauf in seiner Entwicklung eine Epoche, die mit herkömmlichen Beobachtungstechniken nicht zugänglich ist. Während dieses dunklen Zeitalters bestand die vorhandene Materie hauptsächlich aus neutralem Wasserstoff. Dieser bildete sich, als das Universum so weit abkühlte, dass die Protonen sich mit den freien Elektronen zusammenschließen konnten. Abgesehen von der Wärmestrahlung blieb das Universum allerdings ab diesem Zeitpunkt bis zur Bildung der ersten Sterne dunkel. Als die Sternentstehung anschließend einsetzte, war der Kosmos zunächst mit neutralem Wasserstoff angereichert. Dadurch war er nur eingeschränkt lichtdurchlässig, da die Strahlung der ersten Sterne durch das vorhandene Gas durch Absorption geschluckt wurde. Dieser Zeitpunkt, rund 200 Millionen Jahre nach dem Urknall, markiert den Beginn des Reionisationszeitalters. In diesem wurden die Wasserstoffkerne wieder von ihren Elektronen getrennt, so dass das Universum zunehmend durchsichtiger wurde. Forscher sind sich darüber einig, dass dieser Prozess rund 800 Millionen Jahre andauerte, bis das Universum wieder vollständig ionisiert war.

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Simulierte Zwerggalaxien | Der Ausschnitt zeigt die massereichste Zwerggalaxie der Simulation. Zu sehen sind die großskalige Struktur und die Gasverteilung. Die rot angedeuteten Regionen werden durch die ultraviolette Strahlung erwärmt.

Jedoch herrscht keine Einigkeit darüber, wie sich der Prozess im Einzelnen abspielte und welche Objekte in dieser frühen Phase den meisten Beitrag dazu leisteten. Zur Ionisation eines Wasserstoffatoms wird eine Energie von 13,6 Elektronvolt benötigt. Das entspricht Lichtwellenlängen im Ultravioletten. Als mögliche Quellen kommen hierfür massereiche Sterne der ersten Generation sowie möglicherweise vereinzelt Materie ansammelnde Schwarze Löcher in Betracht. Der Hauptbeitrag muss allerdings von Objekten stammen, die über einen längeren Zeitraum zahlreich vorhanden waren. Im Fokus der Forschung standen hierfür bisher hauptsächlich große und leuchtstarke Galaxien.

Eine jetzt veröffentlichte Studie von Astrophysikern um John Wise vom Georgia Institute of Technology zeigt, dass Zwerggalaxien eine entscheidende Rolle in dieser Phase gespielt haben könnten. Diese wurden bisher oft vernachlässigt: zum einen, weil sie sich als leuchtschwache Objekte bei solch hohen Rotverschiebungen nicht beobachten lassen. Zum anderen, weil nicht sicher ist, ob in den Zwerggalaxien überhaupt während dieser Phase genügend Sterne entstehen konnten, denn möglicherweise wurde die Sternentstehung in ihnen durch die Strahlung ihrer großen Nachbarn unterdrückt.

Diesen Fragen gingen die Wissenschaftler nun anhand von Simulationsrechnungen nach. Dafür modellierten sie die Entstehung von Galaxien unterschiedlicher Massen und den Fluss der ultravioletten Strahlung durch das Gas innerhalb der sich bildenden Sternanhäufungen. Dabei kamen sie zu überraschenden Ergebnissen: Es zeigte sich, dass auch in den masseärmeren Materieansammlungen von rund einer Million Sonnenmassen Sternentstehung möglich war und zu einer hohen Anzahl von Zwerggalaxien geführt haben sollte. Zudem wurde in den Simulationen deutlich, dass der Aufbau der Zwerggalaxien es der ultravioletten Strahlung erlaubte, ins intergalaktische Medium zu entweichen. Das liegt an den vergleichsweise niedrigen Gasdichten in diesen Sternengruppen. Für die masseärmsten Ansammlungen ergaben die Rechnungen, dass nur rund die Hälfte der Strahlung vom eigenen interstellaren Medium absorbiert würde und der Rest ungehindert entweichen könnte. Dagegen verbleiben bei großen Materieansammlungen rund 95 Prozent der abgestrahlten Energie in den Galaxien. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass insgesamt rund 30 Prozent der für die universelle Reionisation verantwortlichen ultravioletten Strahlung auf Zwerggalaxien zurückzuführen ist. Diese waren rund 1000-fach massenärmer und 30-mal kleiner als die Milchstraße, doch zahlreich vorhanden.

Diese Ergebnisse könnten zu einem Umdenken bei Astrophysikern führen, die sich mit der Reionisationsphase befassen. In zukünftigen Arbeiten zu diesem Thema dürfen Zwerggalaxien nicht mehr vernachlässigt werden. Des Weiteren erhoffen sich die Astronomen, dass mit der nächsten Generation von Großteleskopen oder dem für das Jahr 2018 geplanten Weltraumteleskop James Webb die Beobachtung dieser jungen Zwerggalaxien endlich möglich sein wird.

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