Erste stellare Generation nach dem Urknall

Hubble-Teleskop blickt 13 Milliarden Jahre zurück in die Frühzeit des Universums und entdeckt die ersten galaktischen Bausteine

Die Galaxien, die Welteninseln im kosmischen Ozean, die Materieoasen im Wüstenmeer, die wir via Teleskop derzeit beobachten, waren am Anbeginn ihrer Existenz auffallend kleiner. Entstanden sind sie aus sehr vielen kleinen galaktischen Bauteilen. Die bislang ältesten davon machte das NASA-ESA-Weltraumteleskop Hubble bereits vor vier Jahren im Zuge einer systematischen Durchmusterung eines ausgewählten Himmelsausschnittes aus. Jetzt wurden einige alte Bilder nochmals genauer unter die Lupe genommen und mit dem orbitalen Spitzer-Fernrohr bestätigt. Das, der Öffentlichkeit unlängst präsentierte Bild zeigt Galaxien 'en miniature', die sage und schreibe knapp 13 Milliarden Jahre alt sind.

Geradezu herausragend ist die Erfolgsstory der Hubble Deep Fields, die das Space Telescope Science Institute (STScI) im Jahr 1993 initiierte, als man mit einer bis dahin zwar schon angedachten, aber in der Praxis noch nicht verwirklichten Idee vorstellig wurde.

Warum soll man nicht das Weltraumteleskop für mehrere Stunden auf einen eng begrenzten Punkt im All fixieren und abwarten, was dabei die empfindlichen Hubble-Kameras zu Tage fördern? Gedacht – getan. Anstatt eine breit angelegte Observation durchzuführen, nutzten die Astronomen die kostbare Beobachtungszeit, um einen scheinbar dunklen Fleck am Nordhimmel für viele Stunden anzuvisieren. Das Resultat sprach für sich und revolutionierte die Astronomie. Erstmals gelang es, in leer erscheinenden Regionen des Weltalls eine Vielzahl von Galaxien zum Vorschein zu bringen, als das Universum noch sehr, sehr jung war. Seitdem sind diese so genannten Deep-Field-Observationen 'en vogue'. Vom 3. September 2003 bis 16. Januar 2004 etwa blickte Hubble im Rahmen des Hubble Ultra Deep Field (HUDF) tief in die Frühzeit des Universums zurück und lichtete den Kosmos ab, so wie er 800 Millionen Jahre nach dem Urknall einmal „ausgesehen“ hat.

Eine der wichtigsten Aufgaben des Deep Field besteht in der Analyse kosmo-archaischer Galaxien. Hierbei stehen die Fragen im Vordergrund, welche die ältesten Galaxien und die darin befindlichen ältesten Sterne sind? Wann und wie sind diese entstanden? Nicht zuletzt suchen die Forscher aber auch nach einer Antwort auf die Frage, aus welchen „Bausteinen“ die Galaxien unserer Tage sich zusammensetzen.

Das Spitzer-Infrarotteleskop führte unterstützend eine fünftägige Beobachtungssequenz im Februar 2004 durch und bestätigte die Hubble-Daten. Bild: NASA/JPL-Caltech

Das aktuelle Theoriemodell der Galaxienentstehung geht davon aus, dass in der Frühzeit des Kosmos kleinere Galaxien zusammenfanden und auf diese Weise sukzessive immer größere Sternenansammlungen generierten. Nur bisher gelang es noch keinem Astronomenteam, dermaßen tief ins Universum zu blicken, um diese extrem kleinen und vor allem jungen Galaxienbausteine nachzuweisen.

Mithilfe des NASA-ESA-Weltraumteleskops Hubble und dank der werten Unterstützung der orbitalen NASA-Sternwarte Spitzer und infolge der Mitarbeit der Europäischen Südsternwarte (ESO) legten Astronomen kürzlich ein Astrobild vor, auf dem die bisher ältesten jemals fotografierten kosmischen Objekte zu sehen sind. Im Rahmen der vom September 2003 bis Januar 2004 durchgeführten Ultra-Deep-Field-Abtastung stieß Hubble in bis dato unerforschte Regionen des Alls vor, in der Galaxien heimisch sind, die mehr als 13 Milliarden Jahre alt sind, also schätzungsweise bereits 700 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind.

Die aktuelle Hubble Ultra Deep Field-Aufnahme … Bild: NASA, ESA, N. Pirzkal (STScI/ESA) and the HUDF Team (STScI)

Was die Astronomen James Rhoads von der Arizona State University und Chun Xu vom Shanghai Institute of Technical Physics in Shanghai (China) im Sternbild Fornax aufspürten und erst kürzlich veröffentlichten, ist ein Novum in der 15-jährigen Deep-Field-Geschichte. Denn bei den lokalisierten Welteninseln handelt es sich um neun kompakte Miniatur-Galaxien, von denen jede 100 bis 1.000-mal weniger Masse als unsere Milchstraße, gleichwohl aber Hunderte von Millionen Sterne hat. „Sie gehören dennoch zu den masseärmsten Galaxien, die jemals im frühen Universum entdeckt worden sind“, freut sich Nor Pirzkal, ein ESA-Astronom des Hubble-Teams. Aus den nunmehr neun entdeckten ursprünglichen Galaxien-Bausteine haben sich, so vermuten die Wissenschaftler, im Laufe der Zeit größere Galaxien zusammengesetzt.

Vergrößerter Ausschnitt des aktuellen HUDF-Bildes, der (mindestens) zwei miteinander verschmelzende Junggalaxien zeigt Bild: NASA, ESA, N. Pirzkal (STScI/ESA) and the HUDF Team (STScI)

Der aktuelle Erfolg beruht auf Teamwork. Als die Forscher das Datenmaterial erstmals in Augenschein nahmen, war die Überraschung groß, dass die fernen Galaxien in puncto Masse und Größe so klein waren. Um die Messdaten zu bestätigen, konsultierte das Hubble-Team seine mit dem Infrarot-Weltraumteleskop Spitzer operierenden Kollegen. Spitzer observierte die vorgegebene Zielregion fünf Tage lang und konnte dabei das Alter, die Masse und den extragalaktischen Status der Junggalaxien bestätigen.

Bei der Durchmusterung konnte Spitzer kein Infrarotlicht auffangen, was die NASA- und ESA-Forscher als klaren Beleg dafür werten, dass es sich bei den Sternpopulationen in den jungen Galaxien wahrscheinlich um die erste stellare Generation nach dem Urknall handelt. Normalerweise wird Infrarotstrahlung vorwiegend von interstellarem Staub emittiert. Da die observierte Sternpopulation die erste ihrer Art ist, konnten damals logischerweise noch keine schweren Elemente durch Supernovae generiert und in den interstellaren Raum geschleudert worden sein. In dieser Epoche konnte sich schlichtweg noch kein Staub bilden, der infrarotes Licht emittierte. Sangeeta Malhotra von der Arizona State University in Tempe bestätigt diesen Sachverhalt: "Während Hubble ein blaues Licht in diesen Galaxien sah und somit die Präsenz von Sternen nachwies, konnte Spitzer im Infrarotlicht keine oder nur schwach leuchtende Sterne entdecken. Dies ist ein weiterer Beweis dafür, dass es sich um junge Galaxien mit jungen Sternen handeln muss, da die früheren Generationen von Sternen kaum Infrarotstrahlung abgaben.“

Hubble – seit mehr als 17 Jahren im All Bild: NASA

Für das detektierte blaue Licht sind blaue Sterne bzw. „Blaue Riesen“ verantwortlich, eine im All eigentlich selten anzutreffenden Sternenklasse. Solcherlei massereiche Sonnen weisen bis zu hundert Sonnendurchmesser auf und wandeln infolge ihrer hohe Massen, die im Sterninnern zu einer hohen Materiedichte führt, beflissen in ihrem Innern Wasserstoff und Helium zu schwereren Elemente um – allerdings in Rekordzeit. Daher leben massereiche blaue Sterne allenfalls 100 bis maximal 500 Millionen Jahre, was für normale Sterne ein auffallend kurzer Zeitraum ist. Unsere in puncto Masse durchschnittliche gelb leuchtende Sonne beispielsweise kommt auf eine Lebensspanne von zirka 10 Milliarden Jahren.

Infolge der hohen Oberflächentemperatur – sie beträgt bei manchen „Blauen Riesen“ mehr als 60000 Kelvin – strahlen sie entsprechend hell bzw. blau und springen aufgrund ihrer enormen Leuchtkraft stärker ins Auge als ihre weniger hellen kleineren Artgenossen.

Hubble und Spitzer haben 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 and the European Space Agency)

Wie die Bilder zeigen, wirken drei der Junggalaxien äußerlich leicht zerfleddert. Anstelle der gewohnten rundlichen Flecken, offenbaren die Astro-Fotos Muster mit kantigen Formen. Möglicherweise gibt diese Struktur einen Hinweis darauf, dass die kleinen Materieinseln gerade Tuchfühlung mit den benachbarten Galaxien aufgenommen haben, um sich zu größeren Strukturen zu vereinen. Einige Astronomen sehen in ihnen die Bausteine unserer heutigen Galaxien.

Der Urknall bleibt auch in Zukunft „unsichtbar“ … leider Bild: NASA

Auch wenn sich die Forscher nunmehr dem Urknall bis auf 700 Millionen Jahre genähert haben, wird der Blick weiter zurück auf naturgegebene Grenzen stoßen. Da nämlich das Universum für elektromagnetische Strahlung jeder Art, insbesondere aber für Licht, undurchsichtig war, ehe es etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall auf rund 4.000 Kelvin abkühlte, können wir demzufolge heute nicht sehen, was sich vor langer Zeit jenseits dieses Horizonts abspielte.

Erst als die damalige kosmische Temperatur entsprechend gesunken war, verbanden sich Elektronen und Protonen zu neutralem Wasserstoff. Dadurch wurden dem Gas freie Ladungsträger entzogen, die zuvor die Strahlung so stark gestreut hatten, dass das Gas undurchsichtig war. Nach der Formierung der Atome wurde das Gas durchsichtig, und die Strahlung konnte sich nahezu frei ausbreiten. Nunmehr konnten sich die Photonen ungehindert bewegen – der Weltraum wurde durchsichtig.

Vergrößerter Ausschnitt des aktuellen HUDF-Bildes Für die bläuliche Struktur links unten sind massereiche blaue Riesensterne verantwortlich Bild: NASA, ESA, N. Pirzkal (STScI/ESA) and the HUDF Team (STScI)

Unser "Blick" endet also dort, wo er in die frühe Epoche ragt, in der die Temperatur der kosmischen Materie höher und das Universum eine brodelnde, hauptsächlich aus Protonen, Elektronen und Photonen bestehende Masse war. Ergo ist die Fernsicht in den frühen Weltraum durch die kosmische Photosphäre versperrt – so als würde man den blauen Himmel durch die Unterseite von Wasserdampfwolken betrachten. Zwischen der durch die Hintergrundstrahlung gegebenen Photonenbarriere, der "kosmischen Nebelwand" und unserem augenblicklichen Horizont, liegt ein derzeit noch nicht erschlossenes Universum Incognitum, das wir mitnichten durchleuchten und sehen können. Was sich in dem Zeitraum nach der Planck-Zeit bis ungefähr 380.000 Jahre nach dem Urknall im Universum abspielte, bleibt ein ungeschriebenes Buch mit acht Siegeln. Ein Abbild vom licht- und lautlosen Urknall kann und wird es nicht geben.

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