Geheimnisvolle Lichtmuster aus fernster Zeit

18.06.2012

NASA-Weltraumteleskop taucht 13,2 Milliarden Jahre in die Vergangenheit ein und entdeckt Lichtspuren der ältesten Objekte des Universums, von den keiner weiß, wie sie aussehen

Das NASA-Infrarotfernrohr Spitzer hat tiefer ins All geschaut als jemals zuvor und dabei den kosmischen Infrarothintergrund durchleuchtet. In ihm entdeckte Spitzer Fluktuationen, die von uralten massiven Sternen und Schwarzen Löchern stammen könnten - den ersten, die nach dem Urknall im Universum entstanden sind. Mit bislang noch nie dagewesener Genauigkeit konnten die NASA-Wissenschaftler das Infrarot-Nachleuchten der allerersten Objekte im Universum messen. Das James Webb Space Telescope könnte die Quellen der Lichtmuster ab 2018 direkt anvisieren und fotografieren. Die Grenze des Urknalls rückt immer näher …

Es geschah an einem Tag ohne Gestern, zu einem Zeitpunkt, der keiner war, an einem Ort, der nicht existierte. Als sich der Urknall (engl. Big Bang) vor etwa 13,7 Milliarden Jahren völlig lautlos und absolut lichtfrei in Szene setzte, befreiten sich Raum, Zeit und Materie aus einem unendlich kleinen, heißen, massereichen und dichten Punkt, in dem dereinst undefinierbare Teilchen und Kräfte gefangen waren.

Bild: NASA

Aus dieser oder mit dieser so genannten Urknall-Singularität blähte sich der Raum im Zuge der Inflation binnen des Bruchteils einer Quintillionstel Sekunde (Zahl mit 29 Nullen nach dem Komma) weit über die Größe des heute beobachtbaren Universums auf. Etwa 500 Millionen Jahre später bildeten sich die ersten Sterne, Galaxien und Schwarzen Löcher. Seit der Inflation expandiert das Universum mit zunehmender Geschwindigkeit - bis in alle Ewigkeit oder bis zu seinem Ende.

Grenze zum Urknall

Sein schwarzes Gewand legte das junge Universum erst 400.000 Jahre nach dem Big Bang ab. Die Tristesse der kosmischen Dunkelheit endete, als der Kosmos auf rund 4000 Kelvin abkühlte und die sich darin enthaltende Materie langsam verdünnte. Endlich konnten Elektronen und Protonen ihre ewige Symbiose eingehen - in Gestalt neutraler Wasserstoffatome, zu denen sich Jahrmillionen später andere Elemente hinzu gesellten, um sich zu komplexeren Strukturen, sprich Molekülen, zu verdichten.

Hubble-Ultra-Deep-Field-Aufnahme (HUDF) von zirka 10.000 Galaxien, die knapp 13 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind. Bild: NASA, ESA, and S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team

Nach der Bildung der Wasserstoffatome entkoppelte sich die Strahlung von der Materie und breitete sich ungestört aus, wodurch das Gas infolge der Formierung der Atome sodann durchsichtig wurde. Von diesem Moment an zeigte sich der Kosmos von seiner "strahlenden" Seite, emittierte er doch erstmals Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die noch heute von allen Seiten kommend auf uns permanent niederprasselt. Als das Echo des Urknalls das erste Mal nachhallte, endete die dunkle Epoche des Kosmos schlagartig.

Was sich jedoch vor langer Zeit jenseits dieses Horizonts abgespielt hat, können Astronomen heute zu ihrem Leidwesen bestenfalls nur vermuten, aber wissenschaftlich nicht näher untersuchen. Die Fernsicht in den frühen Weltraum ist durch die kosmische Photosphäre versperrt, so als würde man den blauen Himmel durch die Unterseite von Wasserdampfwolken betrachten.

Hubble hat auch mit dem NASA-Röntgenteleskop Spitzer im Rahmen der "Ultra Deep Field"-Observation schon einige Male erfolgreich kooperiert. Dieses Bild wurde bereits 2005 veröffentlicht und zeigt Galaxien, die zirka 12,8 Milliarden Jahre alt sind. Bild: NASA, ESA, B. Mobasher (Space Telescope Science Institute)

So verwundert es nicht, dass selbst die leistungsstärksten erdgebundenen und orbitalen Teleskope bislang nicht hinter die Photonenbarriere, hinter die kosmische Nebelwand, blicken konnten. Die Grenze zum Urknall vermögen nach wie vor auch die besten Fernrohre schlichtweg nicht zu überwinden.

Kosmischer Infrarothintergrund

Immerhin gelang es Astronomen bislang, das Geschehen kurz vor der Photosphäre, besser gesagt das Geschehen etliche Jahrmillionen nach der Bildung besagter Nebelwand auf verschiedenen Wellenlängen punktuell aufzulösen und abzulichten. Wie dies in der Praxis aussieht, führte in den letzten Jahren insbesondere das Hubble-Teleskop im Rahmen der Hubble Deep Field- und Hubble Ultra Deep Field-Observationen eindrucksvoll vor Augen. Seinerzeit tauchte es bis zu 13 Milliarden Jahre in die Vergangenheit ein - weit zurück in die Frühzeit des sichtbaren Universums.

Das Infrarot-Weltraumfernrohr Spitzer der NASA befindet sich seit August 2003 im All. Bild: NASA/JPL/Caltech

Nunmehr hat sich auch das Infrarot-Weltraumteleskop Spitzer der NASA erneut bis an die Grenze des Urknalls herangetastet und dabei das Nachleuchten der allerersten Objekte im Universum mit bisher größter Genauigkeit gemessen.

Planck-Messung des kosmischen Infrarothintergrunds (http://planck.cf.ac.uk/results/cosmic-infrared-background). Astronomen definieren diesen als extragalaktische Hintergrundstrahlung, die isotrop und nicht punktförmig im Infrarotbereich emittiert. Sie verdankt ihre Herkunft höchstwahrscheinlich zahllosen weitentfernen Infrarotgalaxien, deren Emissionen sich überlagern. Bild: ESA/Planck

Nachdem Spitzer bereits vor sieben Jahren nicht unweit der Photosphäre im kosmischen Infrarothintergrund (CIB) ein charakteristisches Hintergrundleuchten registrierte und nachdem das nur im Durchmesser 85 Zentimeter große Fernrohr 2007 dieselbe rätselhafte Strahlung nochmals analysierte und sezierte, nahmen Alexander Kashlinsky und sein Team dieses Mal das Infrarot-Teleskop für längere Zeit in Beschlag.

Uralte Sterne und Schwarze Löcher als Quelle?

Im Rahmen einer erweiterten Missionsphase observierten die Astronomen um Kashlinsky zwei ausgewählte kleine Himmelsbereiche für jeweils mehr als 400 Stunden. In ihnen könnten nach Ansicht der Wissenschaftler massereiche Sterne oder massive Schwarze Löcher hausen, die infolge der enormen Entfernung zur Erde zwar nicht direkt beobachtbar sind, dafür aber im Infrarotlicht indirekt Spuren hinterlassen.

Auf dem vorliegenden Bild ist der von Spitzer im Infraroten beobachtete Streifen am Himmel (oben) im Sternbild Bärenhüter zu erkennen. Im unteren Bildausschnitt wurden alle bekannten Sterne und Galaxien heraus gerechnet, wodurch sich das Restleuchten verstärkte und der kosmische Infrarothintergrund sichtbar wurde. Bild: NASA / JPL-Caltech / GSFC

Auch wenn Kashlinsky und seine Mitarbeiter während der insgesamt 800-stündigen Observation mit Spitzer keine einzelnen stellaren Objekte dingfest machen konnten, registrierten sie in beiden Regionen dennoch ein deutliches Infrarotleuchten, das auf die Anwesenheit massereicher Sterne oder Schwarzer Löcher hindeutet.

"Diese Objekte müssen extrem hell gewesen sein. Wir können noch nicht direkt ausschließen, dass das Licht von irgendwelchen mysteriösen Quellen aus dem näheren Universum stammt, aber es wird immer wahrscheinlicher, dass wir einen Blick in eine sehr frühe Epoche erhaschen konnten", so Kashlinsky vom Goddard Space Flight Center der NASA, der seine aktuelle Studie als Erstautor in der Zeitschrift The Astrophysical Journal alsbald veröffentlichen wird.

Störende Lichtquellen einfach ausgeblendet

Um die stellare Spreu vom kosmischen Weizen zu trennen, analysierten die Forscher die Spitzer-Aufnahmen und entfernten dabei via Mausklick die Strahlung der in der fraglichen Himmelsregion verzeichneten Sterne und Galaxien.

Nach ihm wurde das Spitzer-Teleskop benannt. Bereits 1946 war Lyman Strong Spitzer, Jr. (1914-1997), seinerzeit theoretischer Physiker und Astronom, davon überzeugt, dass Weltraumteleskopen die Zukunft gehört. Bild: NASA/Caltech

Dabei bedienten sie sich einer einfachen Methode, die Kashlinsky mit einer Analogie erklärt: Man stelle sich, so der US-Astronom, einen Beobachter vor, der anlässlich des Nationalfeiertages am 4. Juli versucht, das große New Yorker Feuerwerk von Los Angeles aus zu verfolgen. Um überhaupt etwas zu sehen, müsste dieser zunächst einmal sämtliche Lichtquellen entfernen respektive jegliche Lichtverschmutzung unterbinden - auch jene, die sich zwischen beiden Städten befindet und zu guter Letzt die grellen Lichter von New York selbst ausschalten. Gelänge es dem Beobachter, alle störenden Lichteinflüsse zu eliminieren, sähe er als Ergebnis eine höchst verschwommene Karte, auf der einerseits die Verteilung des Feuerwerks verzeichnet, andererseits jedoch kein einzelnes Detail des Feuerwerks zu erkennen wäre.

Wir können Hinweise auf das erste Feuerwerk im Universum sammeln", verdeutlicht Kashlinsky."Dieses lehrt uns, dass diese Quellen oder ‚Funken‘ ihren nuklearen Brennstoff mit hoher Intensität verbrannt haben.

Tatsächlich stießen die NASA-Astronomen dank Spitzer auf ein schwaches Lichtmuster mit zahlreichen Charakteristika des kosmischen Infrarothintergrundes. Beispielsweise entdeckten sie in dem Muster einige verklumpte Zonen, die ganz klassisch dem Bild entsprachen, das sich Astronomen von sehr weit entfernten Ansammlungen stellarer Objekte machen.

Ins Infrarote gestreckt

Dabei dürfte das von Spitzer eingesammelte kosmo-archaische Licht, als es vor mindestens 13,2 Milliarden Jahren seine einsame Reise antrat, damals noch im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert haben oder als ultraviolette Strahlung unterwegs gewesen sein. Erst im Zuge der Expansion des Universums wurde es just zu den längeren, infraroten Wellenlängen gestreckt, die Spitzer unlängst aufgespürt hat.

Die genaue Messung ist einmal mehr der Sensibilität der Infrarotkamera IRAC (Infrared Array Camera) des Spitzer-Teleskops zuzuschreiben. Die IRAC funktionierte laut Kashlinsky "perfekt". Bild: NASA

Infrarotstrahlung ist für Astronomen von unschätzbarem Wert, da viele astronomische Himmelskörper lediglich im infraroten Bereich des Lichtes emittieren. Da Wärmestrahlung problemlos dunkle Gas- und interstellare Staubwolken durchdringt, werden auf diese Weise nicht nur Babysterne, junge Sterne, Planetensysteme oder Staubnebel mit einem Male "sichtbar", sondern auch ferne Galaxien und mitunter eben auch extrem weitentfernte Objekte.

Das James Webb Space Telescope (JWST) soll 2018 im All Position beziehen - 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Bild: NASA

Erfreulicherweise konnten die NASA-Forscher den kosmischen Infrarothintergrund in einem weitaus größeren Bereich als zuvor am Himmel kartieren. Sie entspricht etwa zwei Vollmonddurchmessern. Kein Wunder demnach, dass die NASA-Forscher infolge der jüngsten Messungen darum bemüht sind, den Infrarothintergrund auch in anderen Regionen zu durchforsten. Und kein Wunder, dass Kashlinsky fortan noch umfangreichere Informationen aus dem Hintergrundleuchten extrahieren will.

Wir sind bereits wieder am Ball. Es ist aber alles noch ein laufendes Projekt, bei dem sich der Erfolg erst Schritt für Schritt einstellen wird.

Hoffnungsträger JWST

Die Pläne für (im wahrsten Sinne des Wortes) noch tiefergehende Observationen liegen bereits in den Schubladen der NASA. Vieles wird davon abhängen, ob der Hubble-Nachfolger, das James Webb Space Telescope (JWST), wie vorgesehen in sechs Jahren auf Mission geht.

Dr. Alexander Kashlinsky. Bild: NASA

Vor allem Kashlinsky hält große Stücke auf das neue Weltraumteleskop. Seinem Dafürhalten nach ebnet Spitzer den Weg für das JWST, mit dem die bisher noch unsichtbaren Objekte ausfindig und sichtbar gemacht werden können oder zumindest geklärt werden kann, um was es sich bei ihnen en detail handelt. Gegenüber diesem Magazin zeigt sich Kashlinsky sehr optimistisch:

Es sollte möglich sein, einige dieser Objekte, die das von uns aufgespürte Glimmen entdeckt haben, direkt zu beobachten. Die meisten verbliebenen Quellen, die im Infrarothintergrund Fluktuationen verursachen, kann das JWST registrieren.

Nachgefragt

Auf Nachfrage von Telepolis, wie alt denn nur die potentiellen Objekte seien, welche die Fluktuationen im Infrarot-Hintergrund verursachen (Anm. des Autors: In den Pressemeldungen und dem Pre-Print wird hierüber kein Wort verloren.), legt sich Kashlinsky überraschenderweise auf eine Zahl fest:

Eine gute Frage. Alles, was wir sagen können, ist, dass die von uns entdeckten Quellen nicht zu den bislang bekannten Galaxien und Sternpopulationen gehören, die schon vor einiger Zeit observiert wurden. Die von uns detektierte Strahlung stammt aus Quellen, die eine halbe Milliarde Jahre alt sind. Sie entstand in einer Epoche, in der die ersten Sterne gebildet wurden.

Preprint der Studie bei arXiv
Spitzer-Bild in höherer Auflösung
Kurzes NASA-Video-Portrait über Spitzer

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