VLT
Als sich der kosmische Nebel lichtete
von Stefan Deiters
astronews.com
12. Oktober 2011

Mithilfe des Very Large Telescope haben Astronomen fünf weit entfernte Galaxien untersucht, um mehr über eine kurze, aber wichtige Epoche der kosmischen Geschichte zu erfahren, die Reionisations-Phase. Sie stellten so fest, dass unser Universum deutlich schneller durchsichtig wurde als bislang angenommen. Verantwortlich dafür waren vermutlich massereiche Sterne.

Bei dem kleinen unscheinbaren roten Fleck in der Bildmitte handelt es sich um die Galaxie NTTDF-6345. Es ist eine der fünf jetzt von den Astronomen mit Hilfe des Very Large Telescope untersuchten Galaxien. Bild: ESO / L. Pentericci [Großansicht] So könnte das Universum nach Ansicht der Wissenschaftler in einem Alter von weniger als einer Milliarde Jahren ausgesehen haben. Deutlich zu erkennen sind noch vorhandene Nebelschwaden aus Wasserstoff. Bild: ESO / M. Kornmesser [Großansicht]

Teleskope sind auch immer so etwas wie Zeitmaschinen: Beobachtet man nämlich ein weit entferntes Objekt, sieht man dieses so, wie es vor langer Zeit einmal ausgesehen hat. Grund dafür ist, dass sich auch das Licht nur mit einer begrenzten Geschwindigkeit ausbreitet. Ein Objekt in einer Entfernung von einer Million Lichtjahren sehen wir daher so, wie es vor einer Million Jahren ausgesehen hat - das Licht hat nämlich von dem Objekt bis zur Erde genau eine Million Jahre benötigt.

Interessant wird dies natürlich vor allem bei noch deutlich entfernteren Gebilden, etwa bei Galaxien, die wir in der absoluten Frühphase des Universums beobachten können. Mit dem Very Large Telescope (VLT) der europäischen Südsternwarte ESO haben Astronomen nun einige der entferntesten Galaxien ins Visier genommen und auch ihre genaue Entfernung bestimmt. Danach sehen wir die Objekte in einem Zustand, wie sie zwischen 780 Millionen und einer Milliarde Jahre nach dem Urknall ausgesehen haben. Die entfernteste Galaxie, die mit dem VLT beobachtet wurde, sehen wir 600 Millionen Jahre nach dem Urknall (astronews.com berichtete), im Januar fanden Astronomen mit Hubble möglicherweise sogar eine noch entferntere Galaxie (astronews.com berichtete).

Die jetzt in einem Artikel in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal vorgestellten VLT-Beobachtungen erlaubte es den Astronomen erstmals eine Art Zeitleiste für das Zeitalter der Reionisation aufzustellen, eine Periode in der Geschichte des Universums, in der das Gas ionisiert und das All damit praktisch durchsichtig für ultraviolette Strahlung wurde. Zuvor war diese Strahlung von dem elektrisch neutralen Wasserstoffgas absorbiert worden. Man vermutet, dass es unmittelbar nach dem Urknall schon einmal eine kurze Periode gab, in der das Wasserstoffgas ionisiert war, weshalb man den Begriff "Reionisation", also "Wieder-Ionisation" gewählt hat.

"Archäologen können die Abläufe in der Geschichte durch Artefakte rekonstruieren, die sie in verschiedener Tiefe im Erdboden finden", vergleicht Adriano Fontana vom italienischen INAF Osservatorio Astronomico di Roma, der die Studie leitete. "Astronomen haben es da besser: Wir können direkt in die entfernte Vergangenheit blicken und das schwache Licht ferner Galaxien in verschiedenen Phasen der kosmischen Entwicklung untersuchen. Die Unterschiede zwischen den Galaxien verraten uns etwas über die sich ändernden Umweltbedingungen im Universum in dieser Periode und wie schnell sich diese verändert haben."

Die Studie basiert auf VLT-Beobachtungen von entfernten Galaxien in den vergangenen drei Jahren. Von besonderem Interesse war dabei die spektrale Zusammensetzung des Lichts der entfernten Objekte. Bestimmte charakteristische Ausschläge in den Spektren, sogenannte Emissionslinien, verraten Astronomen etwas über die chemische Zusammensetzung der Objekte. Eine der stärksten Emissionslinien im Ultravioletten ist die sogenannte Lyman-alpha-Linie. Sie ist so markant, dass sie sich auch noch in den Spektren weit entfernter und sehr lichtschwacher Objekte nachweisen lässt.

Die Entdeckung dieser Lyman-alpha-Linie bei fünf von insgesamt zwanzig untersuchten Galaxien ermöglichte es den Astronomen nun zu bestimmen, wie weit diese spezielle Linie bei diesen Galaxien zum roten Ende des Spektrums verschoben ist. Ursache für diese Verschiebung ist die Ausdehnung des Universums. Aus der Rotverschiebung lässt sich dann ableiten, welche Entfernung die Galaxien von uns haben müssen und damit, in welcher Zeit nach dem Urknall wir sie sehen. So gelang es, die Galaxien in einer Art Zeitleiste anzuordnen.

Anschließend verglichen die Wissenschaftler dann, wie die Lyman-alpha-Emission, die durch leuchtenden Wasserstoff in den Galaxien entsteht, durch den Nebel aus neutralem Wasserstoff im intergalaktischen Raum zu den verschiedenen Zeiten beeinflusst worden ist. "Wir konnten zwischen den frühsten und den spätesten Galaxien dramatische Unterschiede in der Menge von ultraviolettem Licht erkennen, das absorbiert wurde", erläutert Laura Pentericci vom INAF Osservatorio Astronomico di Roma, die Erstautorin des Fachartikels. "Als das Universum nur 780 Millionen Jahre alt war, gab es noch sehr viel neutralen Wasserstoff. Er hat zehn bis 50 Prozent des Gesamtvolumens ausgefüllt. Aber nur 200 Millionen Jahre später war diese Menge deutlich zurückgegangen und glich schon in etwa dem, was wir heute beobachten. Es sieht so aus, als wäre die Reionisation sehr viel schneller abgelaufen, als Astronomen bislang angenommen hatten."

Doch woher kam die Strahlung, durch die sich dieser urzeitliche Nebel so schnell auflöste? Im Verdacht hatten die Wissenschaftler bislang vor allem zwei Kandidaten: die erste Sternengeneration im Universum und Strahlung, die entsteht, bevor Material in Schwarze Löcher stürzt. "Die detaillierte Analyse des Lichts der beiden entferntesten Galaxien deutet darauf hin, dass die allererste Generation von Sternen wesentlich dazu beigetragen hat", so Teammitglied Eros Vanzella vom italienischen INAF Osservatorio Astronomico di Trieste. "Dabei dürfte es sich um sehr junge und massereiche Sterne gehandelt haben, die etwa 5.000-mal jünger und 100-mal massereicher als unsere Sonne waren."

Um diesen Verdacht jedoch bestätigen zu können, sind weitere Beobachtungen nötig, die entweder aus dem Weltraum oder mit noch größeren erdgebundenen Teleskopen, wie dem geplanten European Extremely Large Telescope, durchgeführt werden müssten. Schon die jetzt vorgestellte Studie erforderte die leistungsfähigsten derzeit zur Verfügung stehenden Instrumente und nutzte die Fähigkeiten des Very Large Telescope voll aus.