Das Ende des Dunklen Zeitalters - wissenschaft.de
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Das Ende des Dunklen Zeitalters

Bald nach dem Urknall herrschte Finsternis. Jetzt erforschen Kosmologen, wie das Licht wieder in die Welt kam.

„Ohne Schatten gibt es kein Licht; man muss auch die Nacht kennenlernen“, schrieb Albert Camus in seinem grandiosen Essay „ Der Mythos von Sisyphos“. Das gilt für den Alltag wie für die Astronomie. Heute leben wir im Goldenen Zeitalter der Sterne. Aber vorher herrschte die Allnacht – das Dunkle Zeitalter des noch jungen Universums. Und noch früher war der ganze Raum ein Lichtmeer, durchwabert vom Feuerball des Urknalls. In ferner Zukunft jedoch, in 100 Billionen Jahren, werden auch die letzten Sterne verlöschen und die Finsternis wird von Neuem die Welt regieren.

Im Vergleich zu der künftigen Leere war das Dunkle Zeitalter nicht nur ein kosmischer Augenblick, sondern auch ein Keim der Fülle, die noch alle Möglichkeiten in sich trug: Damals ballte sich die Materie zu immer dichteren Klumpen zusammen, bis diese zu leuchten begannen – erst im Infraroten durch die wachsende Hitze und dann als selbstständige Lichtquellen, sobald die Kernfusion in ihren Zentren zündete. Das war die Geburt der ersten Sterne – und der Beginn einer neuen Epoche, die Astrophysiker die Kosmische Renaissance nennen.

Sie und somit das Ende des Dunklen Zeitalters gehören zu den spannendsten Forschungsgebieten der modernen Kosmologie. Denn damals traten die ersten Strukturen auf die kosmische Bühne, deren Nachkommen bis heute das Weltall prägen. Wann aber und wie entstanden die ersten Sterne und Galaxien? Wie sahen sie aus, welche Eigenschaften hatten sie? Warum gab es schon eine Milliarde Jahre nach dem Urknall Schwarze Löcher mit der milliardenfachen Masse unserer Sonne – und weshalb wurden sie später nicht noch größer? Kosmologen wollen diese Rätsel lösen, und deshalb müssen sie möglichst viel über das Ende des Dunklen Zeitalters herausfinden.

DER ANFANG DER FINSTERNIS

Nachdem der Weltraum so weit abgekühlt war, dass sich Licht – oder vielmehr elektromagnetische Strahlung allgemein – von der Materie getrennt hatte, rund 380 000 Jahre nach dem Urknall, war es zappenduster im All. Es gab keine Lichtquellen, die die abkühlenden Schwaden aus elektrisch neutralem Gas hätten beleuchten können, keine größeren Objekte und nicht einmal winzige Staubkörnchen, denn auch Kohlenstoff und all die anderen schwereren Elemente existierten damals noch nicht.

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Später wurden die Wasserstoff-Atome allerdings wieder ionisiert, das heißt, ihnen kamen bei der sogenannten Reionisation ihre Elektronen erneut abhanden: Protonen (Wasserstoff-Atomkerne) und Elektronen zogen getrennte Wege, wie schon vor der Freisetzung der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Nur jedes zehntausendste Wasserstoff-Atom blieb von der Reionisation verschont, schätzen Kosmologen. Das intergalaktische Gas ist deshalb seither nicht kalt und elektrisch neutral, sondern heiß und ionisiert (bild der wissenschaft 1/2009, „Heiße Haufen“). Doch woher stammt die energiereiche Strahlung, die damals, am Ende des Dunklen Zeitalters, die Elektronen befreite? Und wann genau geschah das?

TELESKOPE ALS ZEITMASCHINEN

Astronomen können in die Vergangenheit sehen. Denn ein Blick in die Tiefe des Raums bedeutet auch einen Blick zurück in die Zeit – insofern sind Teleskope Zeitmaschinen. Der Grund ist die endliche Geschwindigkeit des Lichts. Aufschlussreiche Informanten aus der Frühzeit sind die Quasare, die hellen Zentren der Urgalaxien. In ihnen stürzt Materie in ein supermassereiches Schwarzes Loch. Die dabei freigesetzte Strahlung ist noch viele Milliarden Lichtjahre weit zu sehen. Während diese Strahlung durch den Weltraum rast, nimmt sie die subtilen Informationen entlang ihres Weges auf – und Astronomen auf der Erde können sie anhand der Absorptionslinien in den Quasarspektren entschlüsseln. Sie sind quasi „Fingerabdrücke“, die offenbaren, was die Strahlung unterwegs „angefasst“ hat. Und das ist vor allem der intergalaktische Wasserstoff. Schon 1965 haben die amerikanischen Astronomen James Gunn und Bruce Peterson erkannt, dass neutraler Wasserstoff eine tiefe „Mulde“ im Spektrum hinterlassen müsste – im Kontrast zum wilden „Zickzackmuster“ aus Absorptionslinien des ionisierten Wasserstoffs, dem sogenannten Lyman-Alpha-Wald (siehe Grafik „Spur aus der Urzeit“ auf Seite 42). Fast vier Jahrzehnte lang suchten Astronomen vergebens nach Anzeichen dieses Gunn-Peterson-Effekts in den Quasarspektren. Erst 2001 wurden sie fündig, als sie Quasare entdeckten, die bereits eine Milliarde Jahre nach dem Urknall aufflammten. Zu dieser Zeit existierten offenbar noch neutrale Wasserstoff-Atome. Anders gesagt: Damals war die Reionisation noch nicht völlig abgeschlossen – eine wichtige Entdeckung.

Aber nicht nur ferne Quasare enthalten Informationen zur Reionisation des intergalaktischen Gases. Das gilt auch für die Kosmische Hintergrundstrahlung. Denn auch in ihr haben sich auf dem Weg zur Erde Informationen aus späterer Zeit eingeprägt. Manche Photonen der Hintergrundstrahlung werden nämlich an Elektronen gestreut – ähnlich wie Nebel das Licht von Autoscheinwerfern streut. Dieser Effekt verschmiert einerseits die ursprünglichen Temperaturschwankungen auf kleinen Skalen und führt andererseits zu charakteristischen Unregelmäßigkeiten in der Polarisation der Hintergrundstrahlung.

Die ersten Zeichen dieser Polarisation entdeckte im Jahr 2002 ein Team um John Carlstrom von der University of Chicago mit dem DASI-Observatorium (Degree Angular Scale Interferometer) am Südpol. Es vermaß insgesamt 271 Tage lang die Kosmische Hintergrundstrahlung von zwei kleinen Himmelsregionen. Ein Jahr später, 2003, wurde die Analyse des ersten Jahrs der WMAP-Messungen veröffentlicht. Die Raumsonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) hatte die Polarisation ebenfalls registriert. Die Kosmologen lasen aus den Daten heraus, dass die Reionisation schon mehrere Hundert Millionen Jahre nach dem Urknall abgeschlossen war und bereits etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall begonnen hatte. Das wäre 700 Millionen Jahre früher, als die meisten Forscher annahmen. Dass zu dieser Zeit schon Sterne entstanden, hielt kaum jemand für möglich. Und das Ergebnis stand in klarem Gegensatz zum Gunn-Peterson-Effekt in den Spektren der fernsten Quasare.

400 JAHRMILLIONEN NACH DEM URKNALL

Der Widerspruch schwand mit der Auswertung der Drei- und Fünfjahresdaten von WMAP, die auf verschiedene Fehlerquellen hin genauer korrigiert und 2006 und 2008 veröffentlicht wurden. Nun zeigte sich eine passable Übereinstimmung mit den Quasarspektren. „Wir haben jetzt gute Indizien dafür, dass die Entstehung des Ionen-Nebels ein langwieriger Prozess war. Er begann, als das Universum etwa 400 Millionen Jahre alt war, und dauerte eine halbe Milliarde Jahre“, fasst Joanna Dunkley von der Oxford University die Analyse der jüngsten WMAP-Daten zusammen, bei der sie maßgeblich mitwirkte.

„Die Reionisation hat die Bühne bereitet für alles, was danach geschah“, sagt Piero Madau von der University of California in Santa Cruz. Er gehört zu den Astrophysikern, die herausfinden wollen, welche Energiequellen es waren, die den Gas-Atomen ihre Elektronen wieder raubten.

DIE ERSTEN ENERGIESCHLEUDERN

Hauptverdächtige sind die ersten Sterne. Computersimulationen deuten darauf hin, dass sich Zwerggalaxien bereits 100 Millionen Jahre nach dem Urknall zu bilden begannen – zunächst noch ohne Sterne, sondern als diffuse Verdichtungen der ominösen Kalten Dunklen Materie und des heißen Urgases aus Wasserstoff und Helium. Diese Zwerggalaxien blieben nicht isoliert voneinander, sondern verschmolzen zu größeren Objekten. Die Milchstraße dürfte aus rund einer Million solcher Urzwerge hervorgegangen sein. Erst als sich das Urgas genügend abgekühlt hatte, entstanden an den dichtesten Stellen Sterne. Sie waren viel größer als unsere Sonne, schätzungsweise von der 100- bis 1000-fachen Masse (bild der wissenschaft 6/2006, „Wie entstanden die ersten Sterne?“). Ihre Oberflächentemperatur betrug 100 000 Grad Celsius – bei der Sonne sind es nur 5500 Grad. Und sie strahlten intensiv im Ultraviolett. Das ist entscheidend. Denn um Wasserstoff zu ionisieren, ist eine Energie von 13,6 Elektronenvolt pro Atom erforderlich, was Ultraviolettstrahlung mit einer Wellenlänge von 91,1 Nanometern entspricht.

Viele Astronomen glauben, dass diese ersten Sterne das Gas um sie herum ionisiert haben. Es bildeten sich Blasen wie Löcher in einem Schweizer Käse, und sie wurden immer zahlreicher und größer, bis schließlich fast alle interstellaren und intergalaktischen Atome ihre Elektronen verloren hatten. Die Frage ist allerdings, ob die Reionisation durch die ersten Sterne schnell und weit genug ging. Das Problem ist ein negativer Rückkopplungseffekt: Weil die Reionisation die Umgebung aufheizt, verzögert sie die Stern- und Galaxienbildung. Denn der Kollaps der Gaswolken unter ihrer eigenen Schwerkraft setzt eine gewisse Abkühlung voraus. Der Wachstumsprozess dauerte also an, bis die Gravitation stark genug war. Insofern ist die Reonisation dafür verantwortlich, dass die Galaxien im Universum relativ groß sind, vermutet Benedetta Ciardi vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching bei München.

SCHWARZE LÖCHER TAUCHEN AUF

Falls die Verzögerung lang genug dauerte, konnten die ersten Sterne das intergalaktische Medium nicht so schnell reionisieren, wie es die Messungen nahe legen. Dann muss es eine weitere Energiequelle im frühen Universum gegeben haben. Piero Madau und Martin Rees von der University of Cambridge vermuten, dass dabei die Umgebung von Schwarzen Löchern mit 100 Sonnenmassen und mehr eine Rolle spielte. Wenn Gas in diese Schwerkraftmonster fällt, stößt es eine Art Todesschrei aus – mit hochenergetischen Röntgen- und Gammastrahlen. Sie haben ein hohes Ionisierungspotenzial und können die Umgebung sogar weiter und gleichförmiger ionisieren als Sterne, bilden also größere Blasen.

Fest steht: Die Ionisation eines Kilogramms Wasserstoff-Gas erfordert eine Milliarde Joule Energie – das ist bloß ein Millionstel der Energie, die bei der Kernfusion derselben Menge an Wasserstoff freigesetzt wird. Es hätte also genügt, wenn nur ein Millionstel des kosmischen Wasserstoffs in Sternen konzentriert war, um den gesamten „Rest“ zu ionisieren. Schwarze Löcher sind sogar noch zehnmal effektivere Ionisierungsquellen: Fällt ein Kilogramm Materie in den Gravitationsmoloch, werden bis zu 1016 Joule Energie frei. Freilich stellt sich dann die Frage, wo die Schwarzen Löcher hergekommen sind – beziehungsweise wie sie sich so schnell bilden konnten. Und ein weiteres Problem: Die astronomischen Daten legen nahe, dass es in der Urzeit nicht genug Quasare gegeben hat, um das All schnell genug zu ionisieren. Die Quasare sind ja die leuchtenden Erscheinungsformen der Gas fressenden Schwarzen Löcher. Aber vielleicht gab es außer ihnen noch viele andere weniger gefräßige Schwarze Löcher, die sich nicht als Quasare bemerkbar machen, sondern als die nicht ganz so strahlungsintensiven Zentren von „ Aktiven Galaxien“.

Doch auch exotische Erklärungen sind im Rennen. So könnte es durch die quantenphysikalische Verdampfung Schwarzer Minilöcher zur Reionisation gekommen sein – vorausgesetzt, diese wären bereits im Urknall entstanden. Der Zerfall bislang unbekannter Urteilchen wird ebenfalls diskutiert. So sagen manche Elementarteilchenphysiker die Existenz steriler Neutrinos voraus. Sie müssten viele Millionen Mal massereicher als die bekannten Neutrinos sein und sich vielleicht in energiereiche Strahlung aufgelöst haben. Ähnliches wird von anderen hypothetischen Partikeln vermutet, etwa von Axionen. Gegen all diese Szenarien spricht allerdings nicht nur ihre spekulative Natur, sondern auch die zeitliche Koinzidenz der Reionisation mit der Strukturbildung im All. Sterne und Schwarze Löcher sind daher die wahrscheinlichsten Kandidaten.

RADIOWISPERN AUS DER URZEIT

Um die Rätsel der Vergangenheit zu lösen, sind detailliertere Beobachtungen nötig. Quasarspektren helfen hier wohl nicht viel weiter. Aber genauere Messungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung – und die wird der in diesem Jahr startende europäische Planck-Satellit bald liefern. Doch es gibt noch eine andere Möglichkeit, und sie eröffnet ein ganz neues Fenster zum Universum: die 21-Zentimeter-Strahlung des neutralen Wasserstoffs.

Diese Radiostrahlung gab es bereits im Dunklen Zeitalter. Sie wurde von Kollisionen der Wasserstoff-Atome untereinander und mit den Photonen der Kosmischen Hintergrundstrahlung erzeugt. Diese Zusammenstöße waren zwar nicht energiereich genug, um die Elektronen der Atome auf höhere „Bahnen“ zu bringen oder gar zu befreien. Und erst, wenn Elektronen wieder auf tiefere Bahnen fallen oder sich überhaupt mit Atomkernen verbinden, geben sie Strahlung ab. Doch die Energie der Kollisionen genügt, um einen anderen Quanteneffekt auszulösen: die Spin-Umkehr eines Elektrons.

Sowohl Protonen als auch Elektronen haben einen Spin, eine Art Eigendrehimpuls. Man kann ihn vereinfacht als Drehrichtung auffassen und als Vektor beschreiben, der entweder aufwärts oder abwärts gerichtet ist. Im Wasserstoff-Atom sind die Spins von Proton und Elektron entweder parallel oder antiparallel ausgerichtet. Da der antiparallele Zustand geringfügig energieärmer ist, gibt das Elektron, wenn es vom parallelen Zustand zum antiparallelen „kippt“, ein Photon ab. Und das hat eine Wellenlänge von 21 Zentimetern. (Umgekehrt ist auch die Absorption eines solchen Photons möglich, wobei die Spins parallel werden.)

Obwohl in der finsteren Frühzeit des Alls noch keine Sterne existierten, hätten demnach empfindliche „Radioaugen“ im Dunkeln etwas sehen können – nämlich die 21-Zentimeter-Strahlung. Abraham Loeb, Astronomie-Professor an der Harvard University, und andere Wissenschaftler erwarten viel von ihr: „Im Gegensatz zur Kosmischen Hintergrundstrahlung liefert die 21-Zentimeter-Strahlung eine dreidimensionale Himmelskarte.“ Außerdem ist die Hintergrundstrahlung durch Streuprozesse leicht verschmiert, weil sie über mehrere Zehntausend Jahre lang freigesetzt wurde, in denen sich der Urnebel langsam lichtete. „ Die 21-Zentimeter-Strahlung bleibt hingegen ungestreut und zeigt direkt die Verteilung des Gases.“ Außerdem spiegelt diese Strahlung nicht nur die Verdichtungen im Urgas, sondern auch die Auswirkungen der jungen Galaxien auf ihre Umgebung. „So groß der Beobachtungsaufwand auch sein mag: Er lohnt sich und wird uns die Galaxienentstehung viel besser verständlich machen“, meint Loeb.

METERLange WELLEN

Die 21-Zentimeter-Strahlung vom Beginn des Dunklen Zeitalters hat heute eine Wellenlänge von rund 210 Metern, weil der Weltraum sich seither um das Tausendfache ausgedehnt hat. Und die Wellenlänge der Strahlung vom Ende des Dunklen Zeitalters misst immerhin noch ein bis zwei Meter. Solche energiearmen Radiostrahlen kann man im Prinzip mit Niederfrequenzantennen aufspüren. Sie ähneln den gewöhnlichen Fernseh- und Radioantennen und sind relativ billig. Allerdings braucht man sehr viele davon in großen Abständen und muss ihre Messungen mit großem Aufwand zusammenrechnen.

Doch das ist keine Zukunftsmusik: Mehrere Forschergruppen betreiben und bauen bereits solche Anlagen (siehe Kasten „Neue Teleskope braucht die Welt“). All diese Projekte müssen drei hohe Hürden überwinden: Erstens muss die niederfrequente Strahlung irdischer Radiosender herausgefiltert werden, denn sie ist eine enorme Störquelle. Zweitens verwischen die elektrischen Partikel in der Ionosphäre der Erde die extraterrestrischen Signale. Das lässt sich kompensieren, wenn man ständig helle Radioquellen im Visier hat, deren Ort genau bekannt ist, und ihr „Flimmern“ zur Korrektur der übrigen Messungen heranzieht. Freilich müssen zuerst einmal genaue Himmelskarten im Meterwellenbereich gewonnen werden. Vor allem aber stört, drittens, die Radiostrahlung der Milchstraße. Sie ist 10 000 Mal so intensiv wie die Signale der Reionisation. Doch die Intensität dieser Signale hängt stark von der Wellenlänge ab – anders als beim galaktische Rauschen. Die Spuren aus der Urzeit sollten also lesbar sein. Außerdem wird das James Webb Space Telescope weiterhelfen, das allerdings nicht vor 2013 startbereit ist: Es soll die Infrarotstrahlung der Urgalaxien messen, die wohl inmitten der ionisierten Blasen im neutralen Wasserstoff stecken. Die Theoretiker sind ebenfalls gefordert: Sie müssen mit noch genaueren Computersimulationen überprüfbare Voraussagen machen, wie das Universum auf Skalen von über einer Milliarde Lichtjahre einst beschaffen war.

KARTEN FERNER VERGANGENHEIT

Werden Radiobilder kombiniert, die bei verschiedenen Wellenlängen aufgenommen wurden, kann man die dreidimensionale Verteilung des neutralen Wasserstoffs rekonstruieren und damit dessen Verdichtung im Lauf der Zeit. „Ob Sterne oder Schwarze Löcher die Reionisation auslösten, sollten wir in unserer Karte daran erkennen, wie scharf die Blasen begrenzt sind“, sagt Loeb. „ Massereiche Sterne senden vor allem ultraviolette Strahlung aus, die vom intergalaktischen Wasserstoff absorbiert wird. Schwarze Löcher geben dagegen hauptsächlich Röntgenstrahlung ab, die weiter in das Gas eindringen kann. Dadurch erzeugen sie breitere Übergangszonen zwischen ionisiertem und nicht ionisiertem Wasserstoff.“

Es stehen also aufregende Entdeckungen bevor. Die Kosmische Renaissance hat Licht in die Finsternis gebracht. Aber das Dunkle Zeitalter davor war keineswegs ein bedeutungsloses Zwischenspiel auf der Bühne des Alls. Sondern es hat die Protagonisten geschaffen, indem die Gravitation die ersten Objekte aus den Schwaden des Urnebels formte. ■

von Rüdiger Vaas

NEUE TELESKOPE BRAUCHT DIE WELT

Um die Frühzeit unseres Universums zu erkunden, sind gegenwärtig mehrere ehrgeizige Teleskop-Projekte in Planung und Bau.

· GMRT (Giant Metrewave Radio Telescope): Das Observatorium liegt 80 Kilometer nördlich der indischen Stadt Pune und besteht aus 30 Drahtantennen mit je 45 Meter Durchmesser. Es ist bislang das größte Radioteleskop für Meter-Wellen.

· PAPER (Precision Array to Probe the Epoch of Reionization): Ein Prototyp der Dipolantennen wurde am Green Bank Observatory in West Virginia getestet. Die Anlage selbst entsteht in Westaustralien.

· 21CMA (21-cm-Array): Die drei Kilometer große Anlage aus über 10 000 Antennen von je zwei Meter Durchmesser in der chinesischen Provinz Xinjiang ist zum Teil fertiggestellt und misst bereits.

· LOFAR (Low-Frequency Array): Ausgehend vom nördlichen Holland werden sich 77 Antennenfelder über weite Teile Mitteleuropas erstrecken – in Frankreich, England, Dänemark, Schweden sowie in Deutschland (in Potsdam, Garching, Tautenburg und Jülich und beim Radioobservatorium Effelsberg in der Eifel). Jedes Feld besteht aus 96 Niederfrequenzantennen und 96 Gruppen von Hochfrequenzantennen (aus je 16 Meterwellen-Antennen), was insgesamt über 118 000 Antennen ergibt. Die Daten aller Antennen werden mit einer Rate von 500 Milliarden Bit pro Sekunde zu einem Superrechner an der Universität Groningen geleitet. Mit einer Rechenleistung von über 27 Teraflop ist er einer der schnellsten Computer Europas. LOFAR braucht ihn, da sich die astronomischen Bilder und Spektren erst aus der Kombination und Korrelation zahlreicher Signale ergeben. Erste Ergebnisse werden 2010 erwartet.

· MWA (Murchison Widefield Array): 8000 Antennen auf einem Gebiet von 1,5 Kilometer Durchmesser in Westaustralien sollen Frequenzen zwischen 80 und 300 Megahertz empfangen, also Wellenlängen zwischen 1,0 und 3,7 Metern. Die Winkelauflösung wird wenige Bogenminuten betragen, sodass sich das Ende der Reionisation mit einer Auflösung von drei Millionen Lichtjahren beobachten lässt. Baubeginn war letztes Jahr. Weil das entlegene MWA irdischen Störquellen weniger ausgesetzt ist als LOFAR, wird es auch den Zustand des Alls zu etwas früheren Zeiten messen können.

· SKA (Square Kilometre Array): Bis 2020 soll ein 1,5 Milliarden Euro teures Radioobservatorium aus mehreren Hundert bis zu 200 Meter großen Antennen entstehen, die gemeinsam eine Sammelfläche von einem Quadratkilometer haben. Baubeginn ist 2012 in Westaustralien oder Südafrika. Erste Daten gibt es wohl ab 2016.

MEHR ZUM THEMA

Lesen

Helmut Hetznecker Kosmologische Strukturbildung Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2009, € 14,95

Achim Weiss Sterne Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2008, € 15,–

Ralf Klessen Sternentstehung Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2006, € 12,–

Internet

Homepage von Abraham Loeb: www.cfa.harvard.edu/~loeb/

VOM LICHT ZUR FINSTERNIS – UND WIEDER ZUM LICHT

Der Ursprung der Gegenwart liegt im Dunkel der Vergangenheit verborgen. Um die ersten Phasen des Universums auszuloten, sind die besten Teleskope der Welt nötig.

SPUR AUS DER URZEIT

In den Spektren ferner Quasare – also der ultrahellen Zentren jugendlicher Galaxien – stecken wertvolle Informationen zur Geschichte des Universums. Bereits 1965 hatten die Astronomen James Gunn und Bruce Peterson vorausgesagt, dass neutraler Wasserstoff eine tiefe „Mulde“ im Dickicht der Absorptionslinien des ionisierten Wasserstoffs hinterlassen müsste. Inzwischen wurde dieser Gunn-Peterson-Effekt bei weniger als eine Milliarde Jahre alten Quasaren tatsächlich beobachtet. So ist bei dem Quasar J103027.10+052455.0 (unterer Teil der Grafik) die Intensität der Strahlung bei bestimmten Wellenlängen nicht einmal ein Zehntel so groß wie bei dem nicht so weit entfernten Quasar J104433.4–012502.2 (oben). Aus dem Gunn-Peterson-Effekt schließen Astrophysiker, dass der intergalaktische Wasserstoff 500 Millionen Jahre nach dem Urknall noch überwiegend neutral war, eine Milliarde Jahre nach dem Urknall jedoch größtenteils ionisiert. Ob diese sogenannte Reionisation, bei der die Wasserstoff-Atome ihre Elektronen verloren haben, von der ersten Sterngeneration verursacht wurde, gehört zu den wichtigsten Fragen der modernen Kosmologie.

DIE GESCHICHTE DER STERNE

Eine wichtige Kenngröße der modernen Kosmologie ist die Sternentstehungsrate (links). Sie gibt an, wann wie viele Sterne entstanden sind. Das Maximum war etwa 1 bis 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Aber die Messungen für diese Zeit und davor (genauer: für bestimmte Rotverschiebungen, aus denen man die Entfernung und das Alter erschließt) sind ziemlich unsicher. Die rechte Grafik basiert auf einer Computersimulation. Sie zeigt, wie viele Sterne heute welches Alter haben. Demnach ist etwa die Hälfte älter als 10 Milliarden Jahre (gestrichelt). Unsere Sonne leuchtet erst seit 4,6 Milliarden Jahren.

Abraham Loeb

Er ist ein astronomischer Tausendsassa: Abraham (Avi) Loeb, geboren 1962 in Israel, seit 1993 Professor an der Harvard University und dort seit 2007 Institutsdirektor. Er hat in ganz unterschiedlichen Bereichen der Astronomie und Kosmologie mit bahnbrechenden theoretischen Arbeiten brilliert. Neben grundlegenden Forschungen zum Ende des Dunklen Zeitalters, zu den ersten Sternen und zur Reionisation des Universums berechnete er die Entwicklung von Galaxien und supermassereichen Schwarzen Löchern, die ferne Zukunft des Universums und das Verschwinden der Galaxien aus unserem Beobachtungshorizont (bild der wissenschaft 4/2004, „Finstere Zukunft“) sowie die Kollision des Andromedanebels mit der Milchstraße in bereits zwei Milliarden Jahren (bild der wissenschaft 2/2008, „Andromeda auf Kollisionskurs“). Und er zeigte, wie sich Planeten bei anderen Sternen mit dem Gravitationslinseneffekt nachweisen lassen. Außerdem erforschte er die Entstehung intergalaktischer Magnetfelder und der mysteriösen Gammastrahlen-Ausbrüche. Loeb publizierte über 300 wissenschaftliche Artikel und ist an der Konzeption des Next Generation Space Telescope sowie eines künftigen Röntgen-Weltraumteleskops beteiligt.

KOMPAKT

· Als der Weltraum 380 000 Jahre nach dem Urknall durchsichtig wurde, begann das Dunkle Zeitalter des Universums. Nichts leuchtete damals.

· Im Lauf der nächsten Jahrmilliarde bildeten sich die ersten Sterne und Schwarzen Löcher.

· Ihre energiereiche Strahlung hat das kosmische Gas aufgeheizt und den Atomen die Elektronen entrissen. Es wurde wieder zu Plasma – wie schon in der Frühphase des Alls.

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