Sehr alter Sauerstoff

Astronomen finden Spuren der ersten Sterne

Von Sibylle Anderl
 - 15:56
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Unser kosmologisches Standardmodell gibt uns sehr detailliert Auskunft über die Frühphase unseres Universums: Rund drei Minuten nach dem Urknall waren die ersten Atomkerne gebildet, die sich zu drei Vierteln aus Wasserstoffkernen, zu einem Viertel aus Heliumkernen und zusätzlich aus Spuren von Deuterium, Helium-3 und Lithium-7 zusammensetzten. Damit war die Chemie der kosmischen Anfangszeit erst einmal abgeschlossen, denn es existieren keine stabilen schwereren Atomkerne, die aus Kollisionen von Wasserstoff- oder Heliumatomen hervorgehen können.

Dass wir heute eine solche Vielfalt chemischer Elemente beobachten, liegt daran, dass sich im Folgenden im Universum Regionen mit zunehmend hoher Materiedichte bildeten, in denen irgendwann Sterne entstehen konnten, die schließlich in Kernreaktionen schwerere Elemente erzeugten. Wann genau dies passierte, wann also unser Kosmos erstmalig von Sternenlicht erleuchtet wurde, ist bislang noch eine offene Frage. Vor einigen Monaten hatte eine Gruppe von Astronomen versucht, diesen Zeitpunkt indirekt anhand der physikalischen Wirkung des Sternenlichts auf das die Sterne umgebende Gas festzulegen. Gemäß ihren Messungen wurden die ersten Sterne 180 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet.

Nun hat sich eine weitere Gruppe von Astronomen darangemacht, diesen Zeitpunkt auf direktere Weise einzugrenzen, wie in „Nature“ nachzulesen ist. Dafür beobachteten die Forscher eine extrem weit entfernte und damit sehr junge Galaxie vom chilenischen Alma-Observatorium aus. Dessen 66 Einzelteleskope besitzen bei Wellenlängen im Submillimeterbereich weltweit die höchste Empfindlichkeit und räumliche Auflösung. Zum beobachteten Zeitpunkt hatte das Universum weniger als vier Prozent seines heutigen Alters erreicht. Die bereits im Jahr 2012 entdeckte Galaxie „MACS1149-JD1“ ist damit eines der am weitesten von der Erde entfernten Objekte, von dem wir Licht empfangen.

Ihre Strahlungsintensität wird dabei durch den Gravitationslinseneffekt verstärkt: Vordergrundquellen wirken angesichts der von ihnen verursachten Krümmung der Raumzeit wie eine optische Linse. Den Wissenschaftlern gelang es, das Alter des von der Quelle empfangenen Lichts präzise festzulegen, indem sie das elektromagnetisches Spektrum der Galaxie auswerteten. Dabei nutzten sie den Effekt der Rotverschiebung – die aus der Ausdehnung des Universums resultierende Verschiebung von Spektrallinien zu größeren Wellenlängen. Insbesondere konnten sie in den Alma-Daten die Signatur zweifach ionisierten Sauerstoffs nachweisen, die den Zeitpunkt der Beobachtung auf 550 Millionen Jahre nach dem Urknall datiert.

Die Beobachtung liefert damit nicht nur den Nachweis des bislang am weitesten von der Erde entfernten und damit ältesten Sauerstoffs, sondern stellt mit dem Wert von 9,11 auch die höchste Rotverschiebung dar, die jemals mit Hilfe einer Spektrallinie gemessen wurde. Um auf dieser Grundlage eine Aussage über den Entstehungszeitpunkt der ersten Sterne in der Galaxie machen zu können, beobachteten die Astronomen mit Hilfe der Nasa-Weltraumteleskope Hubble und Spitzer auch den Bereich des galaktischen Spektrums, der Auskunft über die in der Galaxie vorhandenen Sternenpopulationen geben kann. Die theoretische Modellierung der Sternentstehungsgeschichte zeigte, dass das beobachtete Spektrum nur erklärt werden kann, wenn es in der Galaxie zum Zeitpunkt der Beobachtung zwei verschiedene Generationen von Sternen gegeben hat – wobei die Strahlung der älteren Sterne das Spektrum dominiert. Die frühe Phase massiver Sternentstehung datiert laut Modell 250 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Die starke Strahlung und Masseausflüsse der ersten Sterne bliesen daraufhin Gas aus der Galaxie und stoppten damit die weitere Sternentstehung. Erst als das Gas wieder in die Galaxie zurückfloss, konnte die zweite Generation von Sternen entstehen. Wie vom niederländischen Astronomen Rychard Bouwens in einem „Nature“-Begleitkommentar betont wird, war diese Analyse nur dadurch möglich, dass der genaue Wert der Rotverschiebung vorlag. Die Hoffnung der Astronomen ist nun, mit dem geplanten „James Webb“-Weltraumteleskop auch das Licht der ersten Sternengeneration direkt empfangen zu können.

Quelle: F.A.Z.
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton.
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