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Donnerstag, 24.05.2018
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Fingerabdruck der ersten Sterne aufgespürt

Sternbildung im Universum könnte schon 250 Millionen Jahre nach den Urknall eingesetzt haben

Primordiales Leuchten: Die allerersten Sterne des Kosmos könnten früher entstanden sein als bisher gedacht – sie leuchteten möglicherweise schon 250 Millionen Jahre nach dem Urknall. Indizien dafür haben Astronomen jetzt in einer 13,28 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie entdeckt. Wie sie im Fachmagazin "Nature berichten, enthält ihr Licht das spektrale Signal von Sauerstoff – einem Element, das erst nach dem Tod der ersten Sternengeneration freiwurde.
Die Präsenz von Sauerstoff (rot) in der fernen Galaxie MACS J1149.5+2223 liefert einen Hinweis auf die ersten Sterne.

Die Präsenz von Sauerstoff (rot) in der fernen Galaxie MACS J1149.5+2223 liefert einen Hinweis auf die ersten Sterne.

Als nach dem Urknall die ersten Sterne entstanden, beendeten sie das "dunkle Zeitalter" des Universums – und schufen die Voraussetzung für seine weitere Entwicklung. Doch wann dieser Wendepunkt eintrat, ist bisher unklar. So sprechen Daten des europäischen Planck-Satelliten für einen späten Beginn der Sternbildung nach rund 550 Millionen Jahren. Doch inzwischen haben Astronomen deutlich ältere Galaxien entdeckt und auch ionisierten Wasserstoff nachgewiesen, der schon 180 Millionen Jahre nach dem Urknall der Strahlung erster Sterne ausgesetzt gewesen sein muss.

Galaxie aus der kosmischen Frühzeit


Ein weiteres Indiz für eine sehr frühe Sternbildung haben nun Takuya Hashimoto von der Sangyo Universität in Osaka und seine Kollegen entdeckt. Fündig wurden sie in der Galaxie MACS1149-JD1, die 13,28 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt liegt. Sie stammt damit aus einer Zeit, in der das Universum erst rund 500 Millionen Jahre alt war. Sie ist die älteste Galaxie, deren Entfernung präzise ermittelt werden konnte, wie die Forscher berichten.

Das Überraschende jedoch: Als die Astronomen diese Galaxie mit dem Atacama Large Millimetre/Submillimetre Array (ALMA) beobachteten, entdeckten sie eine auffällige Emissionslinie im Lichtspektrum – das spektrale Signal eines chemischen Elements. "Es ist wirklich bemerkenswert, dass ALMA den Fingerabdruck eines Elements in einer solche Rekordentfernung detektieren konnte", sagt Koautor Wie Zheng von der Johns Hopkins University in Baltimore.


Der Peak im Spektrum von MACS1149-JD1 bei 893 Mikrometern zeigt die Präsenz ionisierten Sauerstoffs an.

Der Peak im Spektrum von MACS1149-JD1 bei 893 Mikrometern zeigt die Präsenz ionisierten Sauerstoffs an.

Signal des frühesten Sauerstoffs


Noch spannender aber war, was diese Spektrallinie verriet. Denn es handelte sich um den spektralen Fingerabdruck von doppelt ionisiertem Sauerstoff – einem Element, das erst in Sternen durch Kernfusion entstanden ist. Nach dem explosiven Tod der ersten Sternengeneration hat sich dieses Element im Kosmos ausgebreitet. Der bisher früheste Nachweis dieses Elements stammt aus der Zeit rund 600 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Jetzt jedoch haben Hashimoto und sein Team den "Fingerabdruck" eines noch einmal 100 Millionen Jahre älteren Sauerstoffs entdeckt. Seine Präsenz belege, dass vor den in der Galaxie MACS1149-JD1 sichtbaren Sternen noch mindestens eine Vorgänger-Generation gegeben haben muss, so die Astronomen. Über ein astrophysikalisches Modell errechneten sie, wann diese ersten Sterne entstanden sein müssen.

Erste Sterne schon nach 250 Millionen Jahren


Das Ergebnis: Schon 250 Millionen Jahre nach dem Urknall müssen in der fernen Galaxie erste Sterne geleuchtet haben. Die Astronomen vermuten, dass ihre starke Strahlung damals das galaktische Gas weit ins All hinausschleuderte und zu einer vorübergehenden Pause der Sternbildung führte. Erst als das Gas wieder zurückströmte, begann ein zweiter Schub der Sternengeburten – und ionisierte den von den ersten Sternen produzierten Sauerstoff.


Blick zurück: So könnte die Sternbildung in der Galaxie MACS1149-JD1 abgelaufen sein.


Dieses Szenario spricht dafür, dass das "dunkle Zeitalter" des Universums deutlich kürzer war als bisher angenommen. "Das hat spannende Konsequenzen für unsere Einordung der kosmischen Morgendämmerung – der Zeit, als die ersten Sterne und Galaxien entstanden", sagt Koautor Nicolas Laporte vom University College London. "Diesen Moment der kosmischen Morgendämmerung einzugrenzen ist so etwas wie ein heiliger Gral der Kosmologie", ergänzt sein Kollege Richard Ellis.

Noch haben die Astronomen nur einen ersten "Fingerabdruck" dieser Morgendämmerung aufgespürt. "Aber wir sind optimistisch, dass wir dem Moment näher und näher kommen, an dem wir die Geburt des ersten Sternenlichts direkt beobachten können", so Ellis. (Nature, 2018; doi: 10.1038/s41586-018-0117-z)
(ESO, NRAO, University College London, 17.05.2018 - NPO)
 
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