News: Wann wurde es endlich Licht?
Als Gott das erste Mal die Nacht vom Tag geschieden hatte, ging das Licht ein paar Millionen Jahre später wieder aus. Erst die zweite Generation von Sternen schaffte es, das Universum dauerhaft durchsichtig zu machen.
Wie untersucht man Ereignisse, die rund 13 Milliarden Jahre in der Vergangenheit liegen? Indem man in die Ferne schaut. Denn auch wenn der Deckenfluter im Wohnzimmer den Raum sofort und ohne jede Verzögerung zu erhellen scheint, macht sich schon beim abendlichen Blick zum Sternenhimmel die endliche Geschwindigkeit des Lichts bemerkbar. Das aktuelle Bild des Mondes ist immerhin bereits etwas über eine Sekunde alt, die Sonne erblicken wir in einem Zustand, den sie vor acht Minuten innehatte, und bis das Licht des nächsten Sterns die Erde erreicht, sind über vier Jahre vergangen. Zeit und Entfernung sind bei astronomischen Studien immer eng miteinander gekoppelt.
Das machen Wissenschaftler sich zunutze. Was ganz am Rande des Universums zu sehen ist, geschah bereits in dessen früher Jugend. Der Blick durchs Teleskop wird zur Reise mit der Zeitmaschine, an die Stelle der Uhr tritt die Rotverschiebung des Lichts: Weil der Weltraum sich ausdehnt, zieht er die Wellenlängen des Lichts in die Länge. Größere Wellenlängen bedeuten aber roteres Licht – die Rotverschiebung eben. Je rotverschobener, desto älter, und mit einigen Annahmen sowie raffinierten Berechnungen lässt sich diese Uhr vorsichtig kalibrieren.
Ein wunderbar bequemes Mittel, die Geschichte des Universums zu studieren, so eine Beobachtungssitzung am heimischen Teleskop. Allerdings hat die Methode ihre Grenzen: Wo das Universum undurchsichtig ist, hat die Reise in die Vergangenheit ihr Ende. Und nicht nur "wo", sondern auch "wann". Trifft nämlich die Theorie vom Urknall als Beginn des Universums zu, so war der Raum zunächst mit einem heißen Plasma aus freien Elektronen, Protonen und Heliumkernen erfüllt. Daraus bildeten sich bald neutrale Atome, die in der Lage waren, Energie aufzunehmen. Jedes ultraviolette Photon, das sich von irgendeiner Quelle aus auf den Weg gemacht hätte, wäre sofort absorbiert worden. Das Weltall war somit stockdunkel. Astronomen sprechen daher vom "Dunklen Zeitalter" des Kosmos.
Jede finstere Zeit hat einmal ihr Ende, und jene des Universums sollte nach gut einer Milliarde Jahren in eine Epoche der Transparenz gewechselt haben. Das folgerten Forscher aus Beobachtungen weit entfernter Quasare. Diese Objekte strahlen Energie in Form von Licht ab, wenn Materie auf spiraligen Wegen in ein gewaltiges Schwarzes Loch fällt. Befindet sich ein Quasar so weit von der Erde entfernt, dass er von einem Weltall erzählt, das etwa eine Milliarde Jahre alt ist, fehlt in seinem Spektrum ein bestimmter Anteil ultravioletten Lichts. Genau jene Wellenlängen, die komplette Wasserstoffatome – also Proton und Elektron zusammen – absorbieren können. Damals, so interpretieren Astronomen die Beobachtung, muss folglich elektrisch neutrales Wasserstoffgas den Raum erfüllt haben und ihn für entsprechend passende Strahlung undurchsichtig gemacht haben. Schluckt der Wasserstoff die Photonen, trennen sich Atomkern und Elektron, und der ionisierte Wasserstoff lässt das Licht passieren – deshalb war das Universum von diesem Zeitpunkt (und von der zugehörigen Entfernung) an durchsichtig.
Die Überlegung erscheint logisch. Da erschütterten Messungen des Satelliten Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) die Hypothese. Diese Sonde vermisst mit hoher Genauigkeit die Mikrowellenstrahlung aus den verschiedenen Himmelsrichtungen. Dabei handelt es sich um eine Art "Nachhall" des heißen Zustands, den das Universum kurz nach dem Urknall hatte. Die Daten von WMAP belegen nun anscheinend, dass die Aufspaltung des neutralen Wasserstoff bereits viel früher stattgefunden hat: zwischen 200 und 500 Millionen Jahre nach dem Urknall. Zwei wissenschaftliche Methoden, zwei unterschiedliche Antworten auf die gleiche Frage. Wie passt das zusammen?
Indem man von einer komplexeren Entwicklung des frühen Universums ausgeht, als die gängigen Modelle präsentieren. Das vermuten mehrere Wissenschaftler, und neue Untersuchungen der Astrophysiker Stuart Wyithe von der University of Melbourne und Abraham Loeb vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics bestätigen diese Annahme. Sie berechneten für die beiden am weitesten entfernten Quasare, wie schnell diese ein Loch von ionisiertem Wasserstoff in einen Raum voller neutraler Atome strahlen konnten, und verglichen mit den wirklichen Spektren. Erst wenn sich solche "Blasen" um die einzelnen Strahlungsquellen im damaligen Universum miteinander vereinigt hätten, wäre der Kosmos wirklich klar. "Die beobachtete Blasengröße war gering – so gering, dass der Anteil des neutralen Wasserstoffs groß gewesen sein muss, im Bereich von zehn Prozent", sagt Wyithe. "Darum war selbst eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, als die Re-Ionisierung nach den WMAP-Messungen schon weit fortgeschritten sein sollte, der größte Teil des intergalaktischen Mediums immer noch neutral."
Angenommen, beide Verfahren haben korrekte Ergebnisse geliefert, bietet ein Zweistufenmodell der kosmischen Evolution den besten Erklärungsansatz. Danach hatte sich das heiße Plasma zunächst abgekühlt, das neutrale Gas erfüllte den Weltraum und hüllte ihn in Dunkelheit. Nach einigen hundert Millionen Jahren entstanden jedoch die ersten Sterne. Groß und hell, wie sie waren, ionisierten sie schnell wieder den Wasserstoff und schufen eine Transparenz, die sich in den heutigen WMAP-Messungen widerspiegelt. Allerdings war das Leben dieser Sterne nur von kurzer Dauer. In gewaltigen Supernovae explodierten sie und störten damit die Entstehung weiterer Sterne. Das gab den Protonen und Elektronen Gelegenheit, sich abermals zu verbinden und das Universum in die zweite Phase des Dunklen Zeitalters zu stürzen. Mit dem Erscheinen der zweiten Sternengeneration, die rund eine Milliarde Jahre nach dem Urknall aufkam, war die Schlacht dann bald entschieden. Quasare und Sterne re-ionisierten den Wasserstoff in immer größer werdenden Blasen, bis es schließlich im gesamten Kosmos hell war.
Offensichtlich war es nicht ganz so einfach wie gedacht, im Universum das Licht anzuschalten. Umso beeindruckender ist das Ergebnis, wenn man in kalten Winternächten einfach mal den Kopf in den Nacken legt und mit einem genießerischen Ah! das Gefunkel am Himmel anschaut.
Das machen Wissenschaftler sich zunutze. Was ganz am Rande des Universums zu sehen ist, geschah bereits in dessen früher Jugend. Der Blick durchs Teleskop wird zur Reise mit der Zeitmaschine, an die Stelle der Uhr tritt die Rotverschiebung des Lichts: Weil der Weltraum sich ausdehnt, zieht er die Wellenlängen des Lichts in die Länge. Größere Wellenlängen bedeuten aber roteres Licht – die Rotverschiebung eben. Je rotverschobener, desto älter, und mit einigen Annahmen sowie raffinierten Berechnungen lässt sich diese Uhr vorsichtig kalibrieren.
Ein wunderbar bequemes Mittel, die Geschichte des Universums zu studieren, so eine Beobachtungssitzung am heimischen Teleskop. Allerdings hat die Methode ihre Grenzen: Wo das Universum undurchsichtig ist, hat die Reise in die Vergangenheit ihr Ende. Und nicht nur "wo", sondern auch "wann". Trifft nämlich die Theorie vom Urknall als Beginn des Universums zu, so war der Raum zunächst mit einem heißen Plasma aus freien Elektronen, Protonen und Heliumkernen erfüllt. Daraus bildeten sich bald neutrale Atome, die in der Lage waren, Energie aufzunehmen. Jedes ultraviolette Photon, das sich von irgendeiner Quelle aus auf den Weg gemacht hätte, wäre sofort absorbiert worden. Das Weltall war somit stockdunkel. Astronomen sprechen daher vom "Dunklen Zeitalter" des Kosmos.
Jede finstere Zeit hat einmal ihr Ende, und jene des Universums sollte nach gut einer Milliarde Jahren in eine Epoche der Transparenz gewechselt haben. Das folgerten Forscher aus Beobachtungen weit entfernter Quasare. Diese Objekte strahlen Energie in Form von Licht ab, wenn Materie auf spiraligen Wegen in ein gewaltiges Schwarzes Loch fällt. Befindet sich ein Quasar so weit von der Erde entfernt, dass er von einem Weltall erzählt, das etwa eine Milliarde Jahre alt ist, fehlt in seinem Spektrum ein bestimmter Anteil ultravioletten Lichts. Genau jene Wellenlängen, die komplette Wasserstoffatome – also Proton und Elektron zusammen – absorbieren können. Damals, so interpretieren Astronomen die Beobachtung, muss folglich elektrisch neutrales Wasserstoffgas den Raum erfüllt haben und ihn für entsprechend passende Strahlung undurchsichtig gemacht haben. Schluckt der Wasserstoff die Photonen, trennen sich Atomkern und Elektron, und der ionisierte Wasserstoff lässt das Licht passieren – deshalb war das Universum von diesem Zeitpunkt (und von der zugehörigen Entfernung) an durchsichtig.
Die Überlegung erscheint logisch. Da erschütterten Messungen des Satelliten Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) die Hypothese. Diese Sonde vermisst mit hoher Genauigkeit die Mikrowellenstrahlung aus den verschiedenen Himmelsrichtungen. Dabei handelt es sich um eine Art "Nachhall" des heißen Zustands, den das Universum kurz nach dem Urknall hatte. Die Daten von WMAP belegen nun anscheinend, dass die Aufspaltung des neutralen Wasserstoff bereits viel früher stattgefunden hat: zwischen 200 und 500 Millionen Jahre nach dem Urknall. Zwei wissenschaftliche Methoden, zwei unterschiedliche Antworten auf die gleiche Frage. Wie passt das zusammen?
Indem man von einer komplexeren Entwicklung des frühen Universums ausgeht, als die gängigen Modelle präsentieren. Das vermuten mehrere Wissenschaftler, und neue Untersuchungen der Astrophysiker Stuart Wyithe von der University of Melbourne und Abraham Loeb vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics bestätigen diese Annahme. Sie berechneten für die beiden am weitesten entfernten Quasare, wie schnell diese ein Loch von ionisiertem Wasserstoff in einen Raum voller neutraler Atome strahlen konnten, und verglichen mit den wirklichen Spektren. Erst wenn sich solche "Blasen" um die einzelnen Strahlungsquellen im damaligen Universum miteinander vereinigt hätten, wäre der Kosmos wirklich klar. "Die beobachtete Blasengröße war gering – so gering, dass der Anteil des neutralen Wasserstoffs groß gewesen sein muss, im Bereich von zehn Prozent", sagt Wyithe. "Darum war selbst eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, als die Re-Ionisierung nach den WMAP-Messungen schon weit fortgeschritten sein sollte, der größte Teil des intergalaktischen Mediums immer noch neutral."
Angenommen, beide Verfahren haben korrekte Ergebnisse geliefert, bietet ein Zweistufenmodell der kosmischen Evolution den besten Erklärungsansatz. Danach hatte sich das heiße Plasma zunächst abgekühlt, das neutrale Gas erfüllte den Weltraum und hüllte ihn in Dunkelheit. Nach einigen hundert Millionen Jahren entstanden jedoch die ersten Sterne. Groß und hell, wie sie waren, ionisierten sie schnell wieder den Wasserstoff und schufen eine Transparenz, die sich in den heutigen WMAP-Messungen widerspiegelt. Allerdings war das Leben dieser Sterne nur von kurzer Dauer. In gewaltigen Supernovae explodierten sie und störten damit die Entstehung weiterer Sterne. Das gab den Protonen und Elektronen Gelegenheit, sich abermals zu verbinden und das Universum in die zweite Phase des Dunklen Zeitalters zu stürzen. Mit dem Erscheinen der zweiten Sternengeneration, die rund eine Milliarde Jahre nach dem Urknall aufkam, war die Schlacht dann bald entschieden. Quasare und Sterne re-ionisierten den Wasserstoff in immer größer werdenden Blasen, bis es schließlich im gesamten Kosmos hell war.
Offensichtlich war es nicht ganz so einfach wie gedacht, im Universum das Licht anzuschalten. Umso beeindruckender ist das Ergebnis, wenn man in kalten Winternächten einfach mal den Kopf in den Nacken legt und mit einem genießerischen Ah! das Gefunkel am Himmel anschaut.
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