Kühler Start für das erste Licht im All

Als die ersten Sterne im jungen Kosmos aufleuchteten, war das Gas in der Umgebung kühler als bislang angenommen. Das zeigt eine neue Simulation der Vorgänge in der Epoche der sogenannten Reionisierung. In dieser Zeit, die etwa vierhundert Millionen Jahre nach dem Urknall begann und einige hundert Millionen Jahre andauerte, hat die Strahlung der Sterne und Galaxien das Wasserstoffgas im Kosmos ionisiert. Die kühlere Temperatur erschwere die geplante Beobachtung dieser Epoche mit neuen Radioteleskopanlagen, so ein Wissenschaftlerteam im Fachblatt „Nature“.

„Die Modelle und Simulationen der Epoche der Reionisierung haben bislang vorhergesagt, dass sich im Spektrum der 21-Zentimeter-Linie des atomaren Wasserstoffs ein deutliches Fluktuationsmaximum zeigt“, schreiben Anastasia Fialkov von der Tel Aviv University und ihre Kollegen. Die 21-Zentimeter-Linie des Wasserstoffs ist die wichtigste Strahlung der Radioastronomie: Mit ihr lässt sich sowohl die Verteilung von Wasserstoff in der Milchstraße untersuchen, als auch die Verteilung von Wasserstoff im frühen Kosmos.

Verteilung der LOFAR-Stützpunkte

Etwa 400 000 Jahre nach dem Urknall war der Kosmos so weit abgekühlt, dass sich Atome bilden konnten – vor allem Wasserstoffatome, die aus jeweils einem Proton und einem Elektron bestehen. Einige Hundert Millionen Jahre später entstanden die ersten Sterne und Galaxien. Die Strahlung der Sterne wärmte das kosmische Gas auf und ionisierte es erneut, daher der Begriff „Reionisierung“. Bislang gingen Astronomen davon aus, dass vor allem die Röntgenstrahlung von Neutronensternen das kosmische Gas auf eine Temperatur erwärmt hat, die über der Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung liegt.

Das, so zeigt die Untersuchung von Fialkov und ihren Kollegen, stimmt jedoch nicht. Wie die Forscher zeigen, ist die Erwärmung durch die energiereiche Röntgenstrahlung wenig effektiv – dafür jedoch gleichmäßiger. Die Temperatur in der Reionisierungsphase ist also niedriger als bislang angenommen, es gibt aber weniger Fluktuationen. „Statt eines simplen Anstiegs und Abfalls der großräumigen Fluktuationen erwarten wir ein komplexeres Signal mit einem deutlichen Minimum“, so das Forscherteam.

In den vergangenen Jahren wurden überall in der Welt neue radioastronomische Anlagen gebaut, um Einblicke in diese frühe kosmische Epoche zu erhalten. Ein Beispiel ist LOFAR, das Low Frequency Array, das aus insgesamt 25 000 kleinen Antennen besteht, die über die Niederlande, Deutschland, Schweden, Großbritannien und Frankreich verteilt sind. Die Ergebnisse von Fialkov und ihren Kollegen bedeuten nicht nur, dass die gesuchten Signale aus der Reionisierungsepoche schwächer sind, sondern auch, dass sie schwieriger zu interpretieren sind.