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Astronomie+Physik

Spuren der allerersten Sterne

Galaxie MACS1149-JD1
Aufnahme der fernern Galaxie MACS1149-JD1. der Ausschnitt zeigt den von ALMA detektierten ionisierten Sauerstoff (Foto: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble Space Telescope, Hashimoto et al.)

Wann entstanden die ersten Sterne im Universum? Diese Frage ist seit Jahren umstritten. Jetzt liefern Astronomen neuen Stoff für Diskussion: Sie haben eine Galaxie aus der Zeit nur 500 Millionen Jahre nach dem Urknall entdeckt, die Spuren noch älterer Sterne in sich trägt. Demnach könnte die Sternbildung in dieser Galaxie schon begonnen haben, als das Universum erst 250 Millionen Jahre alt war. Sollte sich dies bestätigen, wäre dies ein weiterer Hinweis darauf, dass das „dunkle Zeitalter“ des Kosmos möglicherweise doch früher zu Ende ging als lange angenommen.

Sterne und Galaxien sind heute aus unserem Kosmos nicht mehr wegzudenken. Doch wann die allerersten Sterne einst entstanden, ist bis heute strittig. Klar ist nur, dass mit ihrer Bildung eine ganz neue Ära für das junge Universum anbrach: Das „dunkle Zeitalter“ war vorüber. Die intensive Strahlung der ersten Sterne brachte nicht nur Licht in den Kosmos, sie wandelte auch die Wasserstoffatome der interstellaren Wolken in Ionen um und schuf damit eine wichtige Voraussetzung für die weiter Entwicklung. Als dann diese erste Sternengeneration in Supernovae explodierte, setzte sie die ersten schwereren Elemente des Kosmos frei – die Bausteine für Planeten, Lebewesen und letztlich auch uns Menschen.

Licht einer fernen Galaxie

Doch wann die allerersten Sterne entstanden, ist strittig. Aus den Daten des europäischen Planck-Satelliten schlossen Astronomen vor einigen Jahren, dass das dunkle Zeitalter des Kosmos erst rund 550 Millionen Jahre nach dem Urknall endete. Dazu schien zu passen, dass das Hubble-Weltraumteleskop kaum Galaxien aus der Zeit davor finden konnte. Inzwischen jedoch können die Astronomen weiter ins All hinaus blicken als zuvor. Sie haben in den letzten Jahren immer mehr Beobachtungen gemacht, die einem so späten Beginn der Sternbildung zu wiedersprechen scheinen. So spürten Forscher unter anderem eine Galaxie aus der Zeit nur 400 Millionen Jahre nach dem Urknall auf und wiesen vor kurzem sogar ionisierten Wasserstoff nach, der bereits 180 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte.

In diese Belege für eine überraschend frühe Sternbildung reiht sich nun ein Fund von Takuya Hashimoto von der Sangyo Universität in Osaka und seinem Team ein. Für ihre Studie hatten die Astronomen die ferne Galaxie MACS1149-JD1 mit dem Atacama Large Millimetre/Submillimetre Array (ALMA) beobachtet. Wie sie anhand der Rotverschiebung ihres Lichts feststellten, liegt die Galaxie 13,28 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Sie stammt damit aus einer Zeit, in der das Universum erst rund 500 Millionen Jahre alt war.
MACS1149-JD1 gehört damit zu den ältesten und fernsten Sternenansammlungen, die bisher entdeckt wurden und sie ist die älteste, deren Entfernung so präzise ermittelt werden konnte, berichten die Astronomen.

Sternbildung schon 250 Millionen Jahre nach dem Urknall?

Noch spannender aber ist, was die Astronomen im Lichtspektrum dieser Galaxie entdeckten. Denn sie identifizierten darin klar erkennbar und relativ hell die Emissionslinie von doppelt ionisiertem Sauerstoff. Diese Form des Sauerstoffs jedoch ist nach gängiger Theorie erst dann im Kosmos freigeworden, als die erste Generation von Sternen in Supernovae explodierte und das in ihnen erzeugte Element freisetzte. Die Präsenz dieses Sauerstoffs in der frühen Galaxie muss nach Ansicht von Hashimoto und seinen Kollegen daher bedeuten, dass es vor den jetzt in MACS1149-JD1 beobachteten Sternen noch weitere, bereits vergangene gegeben haben muss. „Wir sehen zwar eine sekundäre Sternbildung bei einer Rotverschiebung von z=9,1, aber den größten Teil ihrer Sterne muss diese Galaxie in einer viel früheren Epoche gebildet haben“, so die Forscher.

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Ihren Berechnungen nach muss die Sternbildung in dieser Galaxie schon rund 250 Millionen Jahre nach dem Urknall begonnen haben. „Uns ist es damit gelungen, die kosmische Geschichte über die Grenzen dessen zu erkunden, was wir mit heutigen Teleskopen abbilden können“, sagt Co-Autor Richard Ellis vom University College London. „Wir kommen damit näher und näher an den Zeitpunkt heran, an dem das erste Sternenlicht aufleuchtete. Diesen Moment der kosmischen Morgendämmerung einzugrenzen ist so etwas wie ein heiliger Gral der Kosmologie.“ Noch ist dieser Gral nicht erreicht, aber die Astronomen sind zuversichtlich, dass indirekte Methoden wie die Spektralanalyse der Galaxie MACS1149-JD1 dabei helfen können, ihm näher zu kommen.

Quelle: Takuya Hashimoto (Osaka Sangyo University, Osaka) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-018-0117-z

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