Blitz aus der dunklen Vergangenheit des Kosmos

Durch Teleskope auf der ganzen Welt wurde das Nachleuchten einer Explosion aus der Frühzeit des Universums verfolgt – nie zuvor gelang ein Blick soweit zurück in die Ursprünge der Sterne

Den Astronomen gelingt es, immer tiefer ins All und damit in die Vergangenheit zu blicken. Jetzt spürten sie mithilfe verschiedenster Observatorien weltweit das Signalfeuer auf, das ein sterbender Stern vor mehr als 13 Milliarden Jahren hinterließ. Nie zuvor gelang es, soweit in die Geschichte des Kosmos zurückzublicken. Das ist die Epoche der Entstehung der ersten Sterne nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren, deshalb ist das Nachglühen eines Gammastrahlenbruches aus dem Dunklen Zeitalter des Universums eine echte Sensation.

Gammastrahlenausbrüche (GRB - nach der englischen Bezeichnung Gamma Ray Burst) wurden in den 60er Jahren zufällig von Spionagesatelliten entdeckt, die nach nach der Strahlung von Atomwaffentest spähten. Die kurzen Blitze im Gammastrahlenbereich gehören zum energiereichsten, was das Universum zu bieten hat. Innerhalb weniger Sekunden strahlt ein GRB mehr Energie aus als unsere Sonne in mehreren Milliarden Jahren.

Es gibt zwei Typen dieser gewaltigen Energieausbrüche, zum einen die ultrakurzen, die bis zu zwei Sekunden dauern und zum anderen die langen Gammablitze, die meist bis zu zwanzig Sekunden dauern (manchmal auch bis zu einigen Minuten) – und zu denen auch der neu entdeckte GRB 090423 gehört. Jochen Greiner vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, der mit seiner Forschungsgruppe an der Beobachtung beteiligt war, erklärt, wie diese Blitze beim Kollaps eines massereichen Sterns am Ende seines Lebens entstehen:

Es wird ein zweiseitiger Jet, vermutlich entlang der Rotationsachse des Sterns, ausgestoßen, der auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird, sobald er die äußeren Schichten der Sternhülle durchstoßen hat. Die Gammastrahlung entsteht vermutlich durch interne Zusammenstöße von schnelleren mit langsameren Schockwellen innerhalb dieses Jets. Die Reste des kollabierenden Sterns stürzen dann zu einem Schwarzen Loch zusammen. Aber nicht jeder sterbende Stern erzeugt einen Gammablitz, sondern nur einer aus etwa einer Million - deshalb dürften jene Sterne, die solche Blitze erzeugen, in einer ihrer Eigenschaften etwas Besonderes darstellen.

Illustration eines Gammastrahlenausbruchs, Bild: ESO/A Roquette

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature stellen zwei Teams mit insgesamt mehr als 100 beteiligten Forschern nun den bislang ältesten Gammastrahlenausbruch vor. Am 23 April 2009 entdeckte der NASA-Satellit Swift im Sternbild Löwe einen Gammablitz, der zehn Sekunden dauerte und nach dem Datum seiner Sichtung die Bezeichnung GRB 090423 erhielt.

Schnell erreichte die Meldung die erdgebundenen Teleskope, und schon nach 20 Minuten war das United Kingdom Infra-Red Telescope (UKIRT) auf Hawaii auf die Position des Blitzes am Himmel ausgerichtet, es folgten andere Observatorien überall auf der Welt – vom Very Large Telescope der ESO (VLT) in Chile bis zum Telescopio Nazionale Galileo (TNG) auf der Kanareninsel La Palma. Die Zusammenarbeit verschiedener Wissenschaftlergruppen von Institutionen aus der ganzen Welt ermöglichte die Bobachtung des Nachleuchtens des Blitzes auf allen Wellenlängen, also in den Bereichen der Röntgen-, der ultravioletten, der optischen, der infraroten und der Radiostrahlung.

Die Analyse der Rotverschiebung, der Verzerrung der Strahlung durch die Expansion des Universums, ergab einen Wert von 8,1 bzw. 8,2 – das bedeutet, dass das Licht von GRB 090423 mehr als 13 Milliarden Jahre brauchte, um bei uns einzutreffen. Die Supernova des Sterns, die diesen Gammablitz erzeugte, fand also 630 Millionen Jahre nach dem Urknall statt, im Dunklen Zeitalter, als das Universum gerade mal 4,5 Prozent seines heutigen Alters erreicht hatte und noch viel kleiner war als heute.

Nach dem Urknall erkaltete das Universum schnell, während es sich ausdehnte. Nach etwa 400.000 Jahren formten sich aus freien Elektronen und Protonen erste neutrale Atome und im folgenden Dunklen Zeitalter des Kosmos erste Sterne und Galaxien. Bild: Bing Zhang/Nature

Die Ergebnisse der Forschergruppen um Nial R. Tanvir von der University of Leicester (vgl. A gamma-ray burst at a redshift of z<8.2) und Ruben Salvaterra von Istituto Nazionale di Astrofisica, INAF (vgl. GRB 090423 at a redshift of z<8.1) stellen einen neuen Rekord da. Nie zuvor haben Menschen derartig weit in die Tiefen des Weltalls und zugleich in die Vergangenheit geblickt. Das zuvor älteste kosmische Objekt war eine Galaxie mit einer Rotverschiebung von 6,96, der älteste Gammastrahlenausbruch GRB 080913 mit einem Wert von 6.7 – und damit knapp 200 Millionen Jahre jünger als GRB 090423 (vgl. NASA's Swift Catches Farthest Ever Gamma-Ray Burst). Nial Tanvir hält fest:

Mit einer Rotverschiebung von 8,2 ist dies der am weitesten entfernte Gammastrahlenausbruch, der je beobachtet wurde, und es ist auch das am weitesten entfernte Objekt, das jemals - irgendwie - entdeckt wurde. Diese Entdeckung zeigt die Wichtigkeit der Gammastrahlenausbrüche für die Untersuchung des am weitesten entfernten Teils des Universums. Sicher werden künftig sogar noch weiter entfernte Ausbrüche in der Zukunft gefunden, die ein Fenster zum Studium der allerersten Sterne und das ultimative Ende des Dunklen Zeitalters im Universum öffnen.

Der rote Punkt in der Mitte dieser Aufnahme des Nachthimmels zeigt GRB 090423 – die umliegenden Sterne und Galaxien sind viel jünger. Bild: A.J.Levan & N.R.Tanvir

Wieder einmal ein neuer Rekord durch die jüngste Generation von Teleskopen, die sich als Zeitmaschinen erwiesen, die zunehmend einen Einblick in die früheste Epoche des Universums ermöglichen.

Die Analyse der gewonnen Daten von GRB 090423 zeigt, dass der sterbende Stern, der diesen Ausbruch verursachte, zwar in die Frühzeit der Sternenentstehung im Universum gehört, aber nicht zur allerersten Generation der Sterne. Schwere Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff bildeten sich erst in den Sternen.

Der Stern, der GRB 090423 erzeugte, gehört nach Meinung der beteiligten Forscher wahrscheinlich bereits zur zweiten Generation der stellaren Ahnen, seine Supernova reicherte die Umgebung mit einem höheren Metallgehalt an und schuf so die Voraussetzung für Sterne der dritten Generation wie unsere Sonne. Unser Sonnensystem, die Planeten, die Erde und nicht zuletzt wir selbst bestehen aus Sternenstaub, aus Materie, die mehrfach den Kreislauf vom werden und Vergeben der Sterne durchlaufen hat.

Die Kosmologie hat immer mehr Möglichkeiten, immer weiter ins All und damit zurück in die Vergangenheit zu blicken. Durch die Erkenntnisse über die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien gewinnen wir Basiswissen über die grundsätzliche Beschaffenheit des Universums.

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