Entstehung der ersten Sterne 04.06.2020, 11:34 Uhr

Hubble-Weltraumteleskop macht überraschende Entdeckung im frühen Universum

Wann entstanden die ersten Sterne und Galaxien im frühen Universum? Neue Ergebnisse des Hubble-Weltraumteleskops der Nasa und ESA legen nahe, dass die Entstehung viel früher als bisher angenommen erfolgte.

Frühe Universum

Neue Ergebnisse des Hubble-Weltraumteleskops der NASA / ESA legen nahe, dass die Bildung der ersten Sterne und Galaxien im frühen Universum früher als bisher angenommen erfolgte. Ein europäisches Team von Astronomen hat keine Hinweise auf die erste Generation von Sternen gefunden, die als Population III-Sterne bekannt sind, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war. Das Bild zeigt das frühe Universum.

Foto: ESA / Hubble, M. Kornmesser

Die Erforschung der ersten Galaxien bleibt eine Herausforderung für Astronomen. Wann sich die ersten Sterne und Galaxien im Universum gebildet haben, ist bis heute nicht sicher. Doch das Hubble-Weltraumteleskop liefert nun überraschende Antworten durch die Möglichkeit der Tiefenbeobachtung. Mit Hubble können Astronomen das Universum bis auf 500 Millionen Jahre nach dem Urknall betrachten.

Erst kürzlich haben Astronomen mithilfe des Hubble-Teleskops erstmals einen Sternencluster genauer analysiert und dabei eine erstaunliche Entdeckung gemacht, die völlig neue Erkenntnisse über die Geburt von Planeten liefert. Mehr dazu lesen Sie hier.

Erste Generation von Sternen im frühen Universum untersucht

Ein Team europäischer Forscher machte sich an die Untersuchung der ersten Generation von Sternen im frühen Universum. Diese erste Generation nennt sich Population III-Sterne. Die Forschung verlief unter der Leitung von Rachana Bhatawdekar von der Europäischen Weltraumorganisation. Population-III-Sterne sind wohl ausschließlich aus Wasserstoff, Helium und Lithium entstanden. Es sind die einzigen Elemente, die existieren, bevor Prozesse in den Kernen dieser Sterne schwerere Elemente wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Eisen erzeugen konnten.

Die Europäische Weltraumorganisation ESA koordiniert und fördert die Entwicklung der europäischen Raumfahrt. Aktuell gehören der ESA 22 Mitgliedsstaaten an. Die Organisation bündelt die Finanzmittel und das Know-how der einzelnen Länder und ermöglicht so die Realisierung von Programmen und Projekten, die keiner der Mitgliedsstaaten jemals im Alleingang auf die Beine stellen könnte. In diesem Zusammenhang vertritt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt die Interessen Deutschlands bei der ESA.

Bhatawdekar und ihr Team erforschten das frühe Universum etwa 500 Millionen bis eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, indem sie den Cluster MACSJ0416 und sein Parallelfeld mit dem Hubble-Weltraumteleskop untersuchten.

MACS J0416.1-2403 ist ein Galaxienhaufen. Die Rotverschiebung beträgt z = 0,397 und es liegte eine Masse von 160 Billionen Mal der Masse der Sonne innerhalb von 200 kpc (650 kly vor). Das System wurde während der Massive Cluster Survey, kurz MACS, entdeckt. Dieser Cluster sorgt für eine Gravitationslinse entfernter Galaxien, die mehrere Bilder erzeugt.

Das Ergebnis überrascht:

„Wir haben in diesem kosmischen Zeitintervall keine Hinweise auf diese Population III-Sterne der ersten Generation gefunden“, sagt Bhatawdekar über die neuen Ergebnisse.

Hat sich die Population also noch viel früher gebildet als angenommen?

Das überraschende Ergebnis wurde mit der sogenannten Wide Field Camera 3 und der Advanced Camera for Surveys des Hubble-Weltraumteleskops erzielt. Diese Forschung ergibt nun die tiefste Beobachtung, die jemals von Galaxienhaufen und den dahinter befindlichen Galaxien gemacht wurden. Bereits von 2012 bis 2017 wurden sechs entfernte Galaxienhaufen beobachtet.

Dieses Bild vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA / ESA zeigt den Galaxienhaufen MACS J0416. Dies ist einer von sechs Clustern, die vom Hubble Frontier Fields-Programm untersucht wurden und die tiefsten Bilder von Gravitationslinsen lieferten, die jemals gemacht wurden.<br />Die Wissenschaftler verwendeten Intracluster-Licht (blau sichtbar), um die Verteilung der dunklen Materie innerhalb des Clusters zu untersuchen. Foto:<br />NASA, ESA und M. Montes (Universität von New South Wales, Sydney, Australien)

Dieses Bild vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA / ESA zeigt den Galaxienhaufen MACS J0416. Dies ist einer von sechs Clustern, die vom Hubble Frontier Fields-Programm untersucht wurden und die tiefsten Bilder von Gravitationslinsen lieferten, die jemals gemacht wurden.
Die Wissenschaftler verwendeten Intracluster-Licht (blau sichtbar), um die Verteilung der dunklen Materie innerhalb des Clusters zu untersuchen.

Foto:
NASA, ESA und M. Montes (Universität von New South Wales, Sydney, Australien)

Hubble wirkt wie eine kosmische Lupe

Die Massen der Vordergrund-Galaxienhaufen sind groß genug, um das Licht der weiter entfernten Objekte hinter ihnen zu biegen und zu vergrößern. Dies ermöglicht Hubble, denn das Weltraumteleskop agiert wie eine kosmische Lupe. Bhatawdekar und ihr Team entwickelten eine neue Technik, die das Licht von den hellen Vordergrund-Galaxien entfernt, aus denen diese Gravitationslinsen bestehen. Es ermöglichte ihnen, Galaxien mit geringerer Masse als jemals zuvor bei Hubble in einer Entfernung zu entdecken, die der Zeit entsprach, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war.

Galaxien müssen sich viel früher gebildet haben, als angenommen

Der Mangel an Beweisen für exotische Sternpopulationen und die Identifizierung vieler Galaxien mit geringer Masse stützen die Annahme, dass diese Galaxien die wahrscheinlichsten Kandidaten für die Reionisierung des Universums sind. In dieser Zeit der Reionisierung im frühen Universum wurde das neutrale intergalaktische Medium von den ersten Sternen und Galaxien ionisiert.

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Die Astronomen gehen daher davon aus, dass sich bereits 0,2 Milliarden Jahre nach dem Urknall die ersten Galaxien gebildet haben.

Direkt nach dem Urknall war die Temperatur so hoch, dass Teilchen nicht miteinander wechselwirken konnten. Nach der Abkühlung des Universums, zwischen einer Sekunde und fünf Minuten, erfolgte die primordiale Nukleosynthese. Darunter versteht man die Vereinigung der freien Neutronen, Protonen und Elektronen zu den Kernen von Wasserstoff und Helium. Die Temperaturen waren jedoch immer noch so hoch, dass Elektronen und Protonen nebeneinander existierten; das Universum war ionisiert.

Erst 300.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum soweit abgekühlt, dass die Elektronen von den Protonen eingefangen wurden. Aus diesem Prozess entstanden die Wasserstoff-und Heliumatome; das Universum wurde neutral.
Aus den neutralen Atomen entstanden die ersten Sterne, die wiederum das neutrale kosmische Wasserstoffgas anregten. Diese Phase nennt sich Reionisation. Das übrige neutrale Gas wird heute als „Cosmic Web“ bezeichnet, aus dem vermutlich die ersten Galaxien entstanden.

„Diese Ergebnisse haben tiefgreifende astrophysikalische Konsequenzen, da sie zeigen, dass sich Galaxien viel früher gebildet haben müssen, als wir dachten“, sagt Bhatawdekar. „Dies unterstützt auch nachdrücklich die Idee, dass Galaxien mit geringer Masse bzw. Schwäche im frühen Universum für die Reionisierung verantwortlich sind.“

Hubblecast: Video zur Epoche der Reionisierung

Unmittelbar nachdem das Universum mit dem Urknall begonnen hatte, war der Kosmos dunkel. Nur die ersten Sterne, die Millionen von Jahren später geschaffen wurden, brachten Licht. Diese ersten Sterne und ihre Strahlung haben das Universum während der sogenannten Epoche der Reionisierung drastisch verändert. Diese Hubblecasts sprechen über diese wichtige Zeit, was Hubble uns bisher gezeigt hat, die offenen Fragen und was wir von zukünftigen Missionen erwarten können.

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Diese Erkenntnisse lassen auf ein spannendes Forschungsfeld für das kommende James Webb-Weltraumteleskop der Nasa, ESA und Canadian Space Agency (CSA) hoffen. Der Nachfolger des Hubble-Teleskops soll 2021 ins All gebracht werden.

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