Wissenschaftler enthüllen, wie die Reionisation der Schlüssel zur Entdeckung des Ursprungs des Universums ist

Nach dem Urknall war die gesamte Materie, die "erschien", im Wesentlichen eine Art Wasserstoffsuppe - nur ein Proton und ein Elektron -, was bedeutet, dass keine der Strukturen, die wir heute am Nachthimmel sehen, wie Sterne oder Galaxien, existierten. Diese heutige Schönheit entstand nach dem dunklen Zeitalter.

Diese Periode wird "dunkel" genannt, weil die existierenden Elementarteilchen nicht miteinander wechselwirkten, was das Universum undurchsichtig und relativ homogen machte, mit einigen Regionen größerer Dichte, die die Keime zukünftiger Sterne werden würden.

Die von diesen ersten Sternen ausgesandte Strahlung veränderte das gesamte interstellare Medium radikal, denn die Photonen begannen, Wasserstoffatome zu spalten, so dass nur noch Kerne übrig blieben - der so genannte ionisierte Wasserstoff. Dies war der entscheidende Schritt, um das Universum transparent zu machen.

Eine unmittelbare Auswirkung war, dass sich das Licht nicht frei ausbreiten konnte, weshalb man sagt, dass das Universum nicht transparent war - bis sich irgendwann die ersten Sterne zu bilden begannen und das Universum "zündete".

Die große kosmische Transformation

Diese Ära der Reionisation war für die Entstehung des "sichtbaren" Universums von grundlegender Bedeutung, da immer mehr Lichtquellen wie in einem Dominoeffekt auftauchten und den noch vorhandenen kosmischen Nebel lichteten. Eine aktuelle Herausforderung für die Wissenschaft besteht darin, dass wir nicht genau wissen, wann dieser Prozess begann.

Die Strahlung der ersten Sterne war stark genug, um ihre Umgebung zu verändern, und mit ihrer großen Masse reicherten sie alles mit schwereren Elementen an, nährten Galaxien und schufen die Voraussetzungen für die Entstehung der massereichen Schwarzen Löcher, die wir heute kennen.

Diese Sterne - von den Astronomen als Population III bezeichnet - leben jedoch aufgrund ihrer großen Masse und ihres schnellen Brennstoffverbrauchs nur sehr kurz, so dass man annimmt, dass sie nicht ausreichten, um das gesamte Universum vollständig zu ionisieren. Eine Theorie besagt, dass auch aktive Galaxien und supermassive schwarze Löcher eine Rolle gespielt haben.

Sicher ist, dass wir zwar die Auswirkungen der Reionisation beobachten können, ihre Ursachen und ihr zeitlicher Ablauf jedoch ein Rätsel bleiben. Welche Objekte daran beteiligt waren, wann der Prozess begann und wie lange er dauerte, sind immer noch offene Fragen der Astronomie, die neue Beobachtungsinstrumente erfordern.

Webb und das erste Licht

Ein Instrument, das uns bei der Lösung dieser Rätsel sehr geholfen hat, ist zweifellos das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST), das dank seiner Fähigkeit, im Infrarotspektrum zu beobachten, Licht in einer Entfernung von über 13 Milliarden Lichtjahren erkennen kann.

Seit seiner Inbetriebnahme im Jahr 2022 konnte Webb ältere (und weiter entfernte) Galaxien identifizieren als erwartet - einige entstanden, als das Universum erst 300 Millionen Jahre alt war. Diese Beobachtungen haben das, was wir über die Entstehung von Galaxien zu wissen glaubten, in Frage gestellt.

Die größte Stärke des Teleskops liegt in seinen Instrumenten, mit denen nicht nur die Entfernung, sondern auch die Zusammensetzung analysiert werden kann, so dass das Alter des beobachteten Objekts geschätzt werden kann. Es kann auch chemische Signaturen, Sternentstehungsraten, stellare Ausbrüche und den Ionisierungsgrad des umgebenden Mediums ermitteln.

Zur Erinnerung: Die Ionisierung eines Elements bedeutet im Wesentlichen, dass seine äußersten Elektronen abgestreift werden, was zu einer Änderung der Energie der auftreffenden Photonen und damit zu einer Veränderung des gesamten interstellaren Mediums führt. Webb hilft uns in diesem Bereich erheblich weiter.

Ein langer Weg liegt vor uns

Es sind noch Fragen zu klären, z. B. die genauen Prozesse, die in dieser Phase abliefen, und das Ausmaß, in dem schwarze Löcher dazu beigetragen haben. Geschah dies plötzlich oder allmählich? Vor allem aber: Warum wurden einige Regionen vor anderen transparent, wenn das Universum doch eigentlich homogen sein sollte?

Die Kosmologie ist immer noch auf der Suche nach Antworten - vor allem, um die Rolle des neutralen Wasserstoffs zu verstehen, der die Reionisierung überlebt hat. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht in der Untersuchung des sogenannten 21-Zentimeter-Signals, das von diesem Element ausgesendet wird. Wenn es entdeckt wird, könnte es uns erlauben, den Weg der Reionisation zu kartieren.

Als ob das nicht schon genug wäre, müssen wir auch noch die Rolle der dunklen Materie bei all dem berücksichtigen. Wir wissen, dass sie da war, aber wir wissen nicht, wie sie verteilt war. Einige Modelle gehen davon aus, dass dies der Schlüssel ist, um zu verstehen, wo und wann die ersten Lichtquellen auftauchten - und letztlich auch den Ursprung dieser geheimnisvollen Substanz.

Zweifellos ist die Geschichte, wie das Licht über die Dunkelheit triumphierte, faszinierend, und es gibt noch viel mehr Fragen als Antworten. Sicher ist jedoch, dass wir mit den neuen Weltraumteleskopen - die sich bereits in der Umlaufbahn befinden und die noch in Betrieb genommen werden - in der Lage sein werden, unseren Platz im riesigen Kosmos besser zu verstehen.