Kosmischer Babyboom

Wettbewerb im All

Die Sternentstehungsrate nahm im frühen Universum stark zu und erreichte ihren Höhepunkt etwa vier Milliarden Jahre nach dem Urknall, also vor zehn Milliarden Jahren. War bis dahin noch mehr Masse in Form von interstellarer Materie als in Form von Sternen vorhanden, kehrte sich das Verhältnis danach um. Immer mehr Materie wird seither dem Reservoir an Staub und Gas entzogen und in Sterne umgewandelt. Der Anteil des freien Gases hat sich von der Babyboom-Phase bis heute auf ein Zehntel verringert. Gleichzeitig verringerte sich die Geburtenrate neuer Sterne.

Warum der Höhepunkt der Sternentstehung gerade in dieser Phase nach dem Urknall stattgefunden hat, ist nicht ganz klar. Die Ursache war aber wohl ein Wettbewerb zwischen der Schwerkraft, durch die sich die Materie zusammenballt und Sterne entstehen, und der Ausdehnung des Universums.

Bis hierhin klingt alles einleuchtend: Nach dem Urknall kühlte sich das Gas ab, es sammelte sich in den ersten Galaxien und ballte sich zu Sternen zusammen: je mehr Gas, desto mehr neue Sterne. Doch eine Beobachtung elektrisiert die Forscher: Aus dem Verhältnis der Masse an molekularem Gas und der Sternentstehungsrate lässt sich für jede Galaxie eine sogenannte Depletion Time bestimmen. Diese Erschöpfungszeit gibt an, wie lange bei der gemessenen Rate noch Sterne aus dem Gas entstehen können, bevor das Reservoir erschöpft ist. Überraschenderweise ist diese Zeitspanne über die letzten zehn Milliarden Jahre nahezu konstant geblieben. Sie beträgt in allen Galaxien etwa eine halbe Milliarde Jahre. Das müsste eigentlich bedeuten, dass die Galaxien schon vor sehr langer Zeit ihr gesamtes Gas in Sterne umgewandelt haben und keine neuen Sterne mehr entstanden sein können. Anders gesagt: Wenn das gesamte Gas, das vor zehn Milliarden Jahren in den Galaxien steckte, vollständig zu Sternen geworden wäre, gäbe es heute nur etwa ein Viertel der tatsächlich vorhandenen Sterne.

„Dieser scheinbare Widerspruch lässt sich nur lösen, wenn man annimmt, dass von außen ständig große Mengen an Materie in die Galaxien hineinströmen und dort als Rohstoff für Sterngeburten zur Verfügung stehen“, sagt Walter. „Unsere Messungen mit ALMA helfen, diesen Nachschub besser zu quantifizieren.“

Dynamisches kosmisches Netz

Woher kommt das Gas? Nach derzeitigen Vorstellungen sind die Galaxien in einen Kreislauf ein- und ausströmender Materie eingebunden. Das Universum hat eine blasenartige Struktur, ähnlich wie ein Schweizer Käse. Die Wände und Filamente bestehen aus Wasserstoff-Gas und Dunkler Materie. Galaxien wie unsere Milchstraße befinden sich vor allem an den Kreuzungspunkten dieses Netzes.

Das Gas ist zwar selbst in den Knoten so dünn, dass es sich kaum beobachten lässt. Doch Röntgenteleskope geben ein viele Millionen Grad heißes Gas zwischen manchen Galaxien zu erkennen. Es besteht fast ausschließlich aus Wasserstoff-Atomkernen (Protonen) und Elektronen. Außerdem sind Galaxien von einem nicht ganz so heißen zirkumgalaktischen Gas umgeben. Es wird von den Teilchenwinden heißer Sterne und den bei Sternexplosionen abgestoßenen Hüllen gespeist. Diese Gasreservoire können sich vermischen und teilweise auch wieder in die Galaxie hineingelangen. Insgesamt müssen die Galaxien mehr Gas aufnehmen als abgeben, anderenfalls lässt sich die anhaltende Sternentstehung nicht erklären. Das ist ähnlich wie bei einem Auto: Man muss den Tank immer wieder füllen, sonst bleibt es stehen.

Galaxien sind also nicht die isolierten Welteninseln, wie sie auf Bildern erscheinen. Sie sind vielmehr Materie austauschende Verdichtungen in einem gigantischen kosmischen Netz. Dieses Modell hat allerdings einen Schönheitsfehler: Das heiße extragalaktische Gas muss sich stark abkühlen, bevor es sich in der Galaxie zu Sternen verdichten kann. Und das dauert viel zu lange, um bei der Sternbildung eine Rolle zu spielen: Die Abkühlzeit liegt in der Größenordnung des Weltalters. Theoretiker suchen nach Auswegen aus diesem Dilemma.

Dunkle Materie als Geburtshelfer

Die Dunkle Materie spielt dabei eine entscheidende Rolle. Woraus diese unsichtbare Substanz besteht, ist nach wie vor ungeklärt (bild der wissenschaft 12/2011, „Dunkle Materie“). Immerhin belegen Beobachtungen, dass sie keine elektromagnetischen Abstoßungs- und Anziehungskräfte ausübt, sondern über größere Entfernungen nur der Schwerkraft unterliegt.

Die Abstoßung zwischen positiv geladenen Wasserstoff-Atomkernen verhinderte es anfänglich, dass sich die normale Materie durch die Schwerkraft zu Wolken zusammenziehen konnte. Daher bildeten sich zunächst nur große Verdichtungen aus Dunkler Materie. Sie wirkten als Schwerkraftfallen, in die die normale Materie hineinfiel. Die Dunkle Materie leitete die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien ein: Ohne ihre Geburtshilfe gäbe es vermutlich keine Galaxien und Sterne im Universum.

Heute sitzen die Galaxien in riesigen unsichtbaren Dunkle-Materie-Halos, wie die Kosmologen diese Schwerkraftfallen nennen. Theoretische Studien deuten inzwischen darauf hin, dass sich heißes intergalaktisches Gas in diesen Halos verdichten kann. Das würde dazu führen, dass es sich schneller abkühlt. Das kühlere Gas würden in die Galaxien hineinströmen und das Reservoir für eine weitere Sternentstehung auffüllen.

Kosmologische Simulationen belegen, dass die Halos im frühen Universum stetig wuchsen und damit auch der Strom kühlen Gases in die Galaxien zunahm. Das könnte die anfänglich zunehmende Sternentstehung erklären. Als das Universum etwa vier Milliarden Jahre alt war, versiegte der Nachschub an Dunkler Materie, die Galaxien hatten ihre Umgebung quasi aufgezehrt. Allerdings: Beobachtet wurden diese kühlen Gasströme bislang nicht.

Die Ausdehnung des Universums trug dazu bei, dass die Halos nicht mehr so schnell wachsen und sich verdichten konnten. Die von der hypothetischen Dunklen Energie – einer mysteriösen Art von Antigravitation (bild der wissenschaft 4/2010, „Dunkle Energie“) – verursachte beschleunigte Ausdehnung des Universums spielt dabei aber keine Rolle. Denn sie war damals noch nicht dominant. Zu diesem Schluss kam kürzlich ein Team um Jaime Salcido von der Durham University in Großbritannien: „Wir haben gezeigt, dass der Einfluss der Dunklen Energie erst dann bedeutend wurde, als das Universum bereits die meisten Sterne hervorgebracht hatte.“

Düstere Zukunft

Nimmt man alle Beobachtungsergebnisse inklusive der neuen von ALMA zusammen, so lässt sich nicht nur die Vergangenheit rekonstruieren, sondern auch die Zukunft vorhersagen. „Wenn sich die beobachtete Entwicklung stetig fortsetzt, wird sich der Gehalt an molekularem Wasserstoff – und damit auch die Sternentstehungsrate – in den kommenden acht Milliarden Jahren halbieren“, sagt Fabian Walter. Bis heute sind mehr als 90 Prozent der Sterne entstanden, die jemals im Universum existiert haben und noch existieren werden. In ferner Zukunft werden nur noch sehr langlebige, kleine und lichtschwache Gestirne im All schimmern: „Das Universum hat bereits das Stadium der kosmischen Dämmerung erreicht.“

Die Galaxien des HUDF bleiben im Fokus der Kosmologen. Sie sind bereits fest für Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop eingeplant. Dieser Hubble-Nachfolger soll nach jahrelanger Verspätung im Oktober endlich starten (bild der wissenschaft 6/2018, „Die ersten Galaxien im Blick“). Auch mit ALMA wollen Walter und seine Kollegen nachlegen und einzelne Galaxien sehr detailscharf untersuchen.