Zu tiefe Temperaturen im frühen Universum

Bereits 180 Millionen Jahre nach dem Urknall bildeten sich die ersten Sterne – und das von ihrer Strahlung durchleuchtete Wasserstoffgas war deutlich kälter als vom kosmologischen Standardmodell vorhergesagt. Das zeigen nun Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung durch ein internationales Forscherteam. Die geringe Temperatur des Wasserstoffgases lasse sich nur durch eine bislang unbekannte Wechselwirkung zwischen gewöhnlicher Materie und Dunkler Materie erklären, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

„Wir haben das erste echte Signal der Entstehung von Sternen nach dem Urknall aufgespürt“, sagt Alan Rogers vom Haystack Observatory in den USA, einer der beteiligten Astronomen. „Die Strahlung dieser ersten Sterne macht den Wasserstoff in ihrer Umgebung sichtbar.“ Denn sie verändert den Zustand des neutralen Wasserstoffs so, dass dieses Gas einen Teil der beim Urknall entstandenen kosmischen Hintergrundstrahlung absorbieren kann. Genau diese Absorption haben Rogers und seine Kollegen jetzt mit einer speziellen Radioantenne – dem EDGES-Experiment – in Australien aufgespürt.

EDGES-Experiment

Das Signal zeige, so die Forscher, dass die ersten Sterne etwa 180 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Das stimme gut mit theoretischen Vorhersagen im Rahmen des kosmologischen Standardmodells überein. Überrascht war das Team allerdings von der Stärke des aufgespürten Signals: Es ist zwei- bis dreimal stärker als in den optimistischsten Vorhersagen. Nach Ansicht von Rogers und seinen Kollegen lässt sich diese Diskrepanz nur dadurch erklären, dass das absorbierende Wasserstoffgas deutlich kälter war als vom Standardmodell vorhergesagt. Lediglich eine vom Standardmodell nicht erfasste Wechselwirkung zwischen gewöhnlicher Materie und Dunkler Materie könne eine derart niedrige Temperatur erklären, so die Forscher.

In einer unabhängigen Analyse bestätigt Rennan Barkana von der Universität Tel Aviv in Israel diesen Erklärungsansatz. Allerdings müsse die Dunkle Materie dann aus Teilchen bestehen, die eine wesentlich geringere Masse besitzen als bislang angenommen. „Die Teilchen können nicht schwerer sein als einige Protonenmassen“, so der Wissenschaftler, „und das ist erheblich weniger als die allgemein vermutete Masse von schwach wechselwirkenden Teilchen.“ Solche sogenannten WIMPs gelten bislang als die besten Kandidaten für die Dunkle Materie.

Zudem müssten die Teilchen sich relativ langsam – mit Geschwindigkeiten weit unter der Lichtgeschwindigkeit – bewegen. Die Entdeckung von Rogers und seinen Kollegen könnte also, wenn sie durch weitere unabhängige Experimente bestätigt wird, ein neues Fenster zur Erforschung der mysteriösen Dunklen Materie aufstoßen. Laut dem kosmologischen Standardmodell macht die gewöhnliche Materie, aus der Sterne und Planeten bestehen, nur knapp fünf Prozent von der gesamten Masse und Energie im Kosmos aus. Der restliche Teil entfällt auf die Dunkle Materie und die Dunkle Energie.