Das frühe Universum war zunächst ein dunkler Ort. Erst mit der Entstehung der ersten Sterne – den sogenannten Population-III-Sternen – begann Licht die Dunkelheit zu durchbrechen. Diese Frühphase der Sternentstehung, die auch als „kosmische Morgendämmerung“ bezeichnet wird, markiert einen entscheidenden Wendepunkt. Doch obwohl sie den Beginn komplexer Strukturen im Kosmos einleitete, liegt vieles über diese Epoche bis heute im Dunkeln. Vor allem eine Frage blieb lange unbeantwortet: Wie schwer waren die allerersten Sterne?
Moderne Teleskope wie das James-Webb-Weltraumteleskop liefern atemberaubende Bilder ferner Galaxien. Doch die Sterne der ersten Generation lassen sich nicht mehr direkt beobachten. Sie existieren längst nicht mehr – und ihre Spuren sind schwach. Deshalb suchen Forschende nach indirekten Methoden, um Rückschlüsse auf ihre Eigenschaften zu ziehen. Eine dieser Methoden nutzt Radiowellen, genauer gesagt das sogenannte 21-Zentimeter-Signal.
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Das 21-Zentimeter-Signal – ein kosmisches Echo
Dieses Signal stammt vom neutralen Wasserstoff, der das frühe Universum füllte. Genauer: von der Wechselwirkung zwischen Elektronenspins im Wasserstoffatom, die eine sehr spezifische Strahlung mit einer Wellenlänge von 21 Zentimetern aussendet. Diese Strahlung wurde bereits etwa 100 Millionen Jahre nach dem Urknall abgestrahlt und ist heute – stark gestreckt durch die kosmische Expansion – als Radiowelle messbar.
Entscheidend ist: Die Temperatur dieses Wasserstoffs und damit die Intensität des Signals wurden stark von der Umgebung beeinflusst – insbesondere von der Strahlung der ersten Sterne und deren Überreste. Wer also das 21-Zentimeter-Signal genau analysiert, erhält Einblicke in die früheste Phase der Sternentstehung.
Dabei handelt es sich um Radiowellen, die durch die Hyperfeinstruktur-Übergänge von neutralem Wasserstoff entstehen. Ihre Stärke hängt davon ab, wie stark das Gas gekühlt oder durch Strahlung aufgeheizt wurde – etwa durch erste Sterne. Das 21-cm-Signal erlaubt also einen einzigartigen Blick auf die kosmische Morgendämmerung, lange bevor es Galaxien oder Quasare gab.
Radiodaten statt Sternbilder
Eine internationale Forschungsgruppe um Professorin Anastasia Fialkov von der Universität Cambridge hat nun gezeigt, dass sich aus diesem Signal Rückschlüsse auf die Masseverteilung der ersten Sterne ziehen lassen. Diese sogenannte „Initial Mass Function“ (IMF) ist entscheidend für viele kosmologische Prozesse – etwa die Bildung erster Galaxien, die Reionisation des Universums oder auch die Entstehung schwerer Elemente.
„Dies ist eine einmalige Gelegenheit, um zu erfahren, wie das erste Licht des Universums aus der Dunkelheit entstand“, sagt Fialkov. Gemeinsam mit ihrem Team entwickelte sie ein theoretisches Modell, das zeigt, wie sich das 21-Zentimeter-Signal verändert – abhängig davon, ob die ersten Sterne eher massereich oder massearm waren.
Röntgendoppelsterne als Einflussfaktor
Ein zentraler Aspekt des Modells ist die Rolle von Röntgenstrahlung. Diese entsteht vor allem in sogenannten X-ray binaries – Doppelsternsystemen, in denen ein kompakter Überrest (zum Beispiel ein Schwarzes Loch) Materie von seinem Begleitstern anzieht. Dabei wird enorme Energie in Form von Röntgenstrahlung freigesetzt. Diese Strahlung wiederum heizt das intergalaktische Gas auf und beeinflusst das 21-Zentimeter-Signal.
Frühere Modelle hatten diesen Einfluss unterschätzt. Die aktuelle Studie berücksichtigt erstmals detailliert die Emission dieser Systeme – und kommt zu einem überraschenden Ergebnis: Je nach Massenverteilung der Population-III-Sterne unterscheidet sich das entstehende Signal um bis zu Faktor 257.
Um diese Effekte genau zu modellieren, kombinierten die Forschenden verschiedene Werkzeuge: Populationssynthesen für Doppelsternsysteme, Simulationen der Röntgenemission sowie großskalige 3D-Kosmologiesimulationen. Daraus ergab sich ein klares Bild: Die Masse der ersten Sterne hinterlässt messbare Spuren – sowohl im globalen Verlauf des Signals als auch im sogenannten Leistungsspektrum, das die Verteilung über verschiedene Frequenzen beschreibt.
Teleskope wie REACH und SKA als Schlüssel
Zwei Radioteleskopprojekte sollen nun helfen, dieses schwache kosmische Echo zu empfangen: das südafrikanische REACH-Experiment und das derzeit entstehende Square Kilometre Array (SKA), eines der größten Radioteleskop-Vorhaben weltweit.
REACH misst das globale 21-Zentimeter-Signal und befindet sich aktuell in der Kalibrierung. SKA hingegen soll das Signal in großer Detailtiefe kartieren. Bereits mit einer Genauigkeit von 25 Millikelvin könnte REACH die Masseverteilung der ersten Sterne mit hoher statistischer Signifikanz bestimmen. Und wenn SKA mindestens 3.000 Beobachtungsstunden erreicht, könnten selbst kleine Unterschiede erkennbar werden.
„Die von uns berichteten Vorhersagen haben enorme Auswirkungen auf unser Verständnis der Natur der allerersten Sterne im Universum“, erklärt Dr. Eloy de Lera Acedo, der am REACH-Projekt beteiligt ist. „Wir zeigen, dass unsere Radioteleskope uns Details über die Masse dieser ersten Sterne liefern können.“
Kosmische Archäologie mit Radiowellen
Die Ergebnisse zeigen: Das 21-Zentimeter-Signal dient gewissermaßen als Archiv des frühen Universums. Es bewahrt Informationen darüber, wie sich das erste Licht in die Dunkelheit bohrte, wie Sterne entstanden und wie ihre Überreste das intergalaktische Medium veränderten.
Diese Methode ist nicht nur für die Astronomie von Bedeutung, sondern auch für andere Forschungsfelder: etwa für Modelle der Gravitationswellenentstehung oder für das Verständnis von UV-hellen Frühgalaxien, die Webb derzeit untersucht. Auch grundlegende Parameter der Kosmologie – etwa die Natur dunkler Materie – hängen indirekt von der korrekten Beschreibung der IMF ab.
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