Das erste Licht im Universum

Warum sieht das Universum so aus? Dies ist eine der offenen Fragen in der Astrophysik und der Physik im Allgemeinen. Im Laufe seiner ersten Milliarde Jahre entwickelte sich das Universum von einer ungeordneten Suppe hochenergetischer Teilchen zu einer besser organisierten Ansammlung von Galaxien und Sternen, doch viele Details dieses Prozesses entziehen sich uns noch immer.

In einer aktuellen Studie analysierte ein internationales Forscherteam Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops, wobei der Schwerpunkt auf Zwerggalaxien aus dem frühen Universum lag, und stellte fest, dass diese Galaxien Licht mit einer viel höheren Intensität aussendeten als erwartet. Diese Forschung stellt einen Durchbruch in unserem Verständnis der ersten Lichtquellen im Universum dar.

Unmittelbar nach dem Urknall erlebte das Universum eine schnelle Expansion und erreichte extrem hohe Temperaturen und Energieniveaus: Die durchschnittliche Temperatur der Teilchen im Universum betrug etwa 10^30 Grad Celsius.

Bei dieser enormen Hitze konnten sich subatomare Teilchen nicht miteinander verbinden und waren daher ohne Materie, wie wir sie heute kennen. Etwa eine Sekunde später kühlte sich das Universum auf etwa eine Milliarde Grad ab und es entstanden subatomare Teilchen – die Bausteine ​​der Materie nach dem Standardmodell der Teilchenphysik –, verbanden sich und bildeten Protonen und Neutronen.

Als das Universum etwa zwanzig Minuten alt war, war es bereits auf Temperaturen von Hunderttausenden Grad Celsius abgekühlt. Dann begannen die Protonen und Neutronen, sich mit Wasserstoff-, Helium- und Lithiumionen zu verbinden.

Aufgrund der hohen Temperatur des Universums behielten die Teilchen eine sehr hohe Energie, so dass Elektronen nicht in der Lage waren, sich mit Protonen zu stabilen Atomen zu verbinden. Infolgedessen existierte ein Großteil des Universums in einem Plasmazustand, einer Umgebung elektrisch geladener Teilchen, die einander umkreisten. Dieses Plasma blockierte elektromagnetische Strahlung und verhinderte so, dass sich das Licht ungehindert im Universum ausbreiten konnte.

Im Laufe der nächsten 370.000 Jahre kühlte sich das Universum weiter ab, bis seine Temperatur etwa 4.000 Grad erreichte. Zu diesem Zeitpunkt konnten sich die Elektronen endlich an das Plasma binden und neutrale Atome erzeugen. In dieser Phase wurde kosmische Hintergrundstrahlung freigesetzt, die Einblicke in das frühe Universum ermöglicht. Diese Strahlung konnte weite Strecken zu uns zurücklegen, da sie nicht durch das Vorhandensein von Plasma behindert wurde.

Zu diesem Zeitpunkt, als das Universum etwa 400.000 Jahre alt war, bestand es hauptsächlich aus neutralen Wasserstoff- und Heliumatomen, die gleichmäßig im Weltraum verteilt waren. Am heutigen Nachthimmel gab es keine uns bekannten Sterne, Galaxien oder andere komplexe Himmelskörper. Insbesondere gab es keine Lichtquellen und das Universum war in Dunkelheit gehüllt.

Erst etwa 20 Millionen Jahre später, als sich das Universum weiter ausdehnte und dramatisch abkühlte, entstanden die ältesten Lichtquellen im Universum. Astrophysiker, die die Geschichte des Universums erforschen, sind sich immer noch nicht sicher über die Natur und den Ursprung dieser Lichtquellen, wann und wie sie entstanden sind.

Die vorherrschenden Theorien über die ältesten Lichtquellen im Universum gehen davon aus, dass es sich um massereiche Schwarze Löcher, massereiche Galaxien oder junge Sterne handeln könnte. Eine umfassende Theorie zur Erklärung der Entstehung von Sternen und Galaxien im frühen Universum wurde noch nicht formuliert, und Physiker versuchen immer noch zu verstehen, wann und wie die ersten Lichtquellen im Universum auftauchten.

Mit dem Ende 2021 gestarteten James-Webb-Weltraumteleskop machten sich Forscher auf den Weg, weit entfernte Galaxien zu beobachten. Da sich Licht mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet, braucht das Licht entfernter Galaxien lange, um uns zu erreichen. Die Forscher konzentrierten ihre Beobachtungen auf das Licht, das vor etwa 13 Milliarden Jahren von Galaxien ausging und jetzt das Teleskop erreicht, um einen Blick auf Prozesse zu werfen, die im frühen Universum stattfanden.

Diese fernen Galaxien erscheinen uns so, wie sie vor Milliarden von Jahren waren, als sie junge Galaxien waren, die im Vergleich zu anderen kosmischen Körpern weniger Licht aussendeten. Daher ist es schwierig, solch weit entfernte Galaxien mit herkömmlichen Methoden zu beobachten.

Um dies zu umgehen, verwendeten die Forscher eine hochmoderne Technik: Sie basierte auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die besagte, dass schwere Massen den Raum verzerren und den Weg des in ihrer Nähe vorbeiziehenden Lichts verbiegen könnten.

Die Forscher konzentrierten sich auf Galaxien hinter dem massereichen Galaxienhaufen Abell 2744, der aufgrund seiner großen Masse als Gravitationslinse fungiert und das von dahinter kommende Licht vergrößert und bündelt. Dadurch konnten die Forscher die Lichtmenge erhöhen, die das Teleskop erreicht, was genauere Beobachtungen ermöglichte.

Die Forscher analysierten das Licht von Zwerggalaxien, also Galaxien, die nur etwa eine Milliarde Sterne enthalten. Im Vergleich dazu enthält die Milchstraße, in der wir leben, Hunderte Milliarden Sterne. Die Forscher analysierten die Beobachtungen sorgfältig und stellten fest, dass diese Zwerggalaxien Strahlung aussenden, die viermal stärker ist als bisher angenommen.

Darüber hinaus waren diese Zwerggalaxien im frühen Universum häufiger als größere Galaxien. Daher gehen Forscher davon aus, dass die Mehrzahl der frühen Lichtquellen des Universums Galaxien dieses Typs waren.

Diese Studie ist ein weiteres Beispiel für die wissenschaftliche Leistung, die mit Hilfe des James Webb-Weltraumteleskops erzielt wurde. Obwohl die Ergebnisse bemerkenswert sind, betonen die Forscher die Notwendigkeit weiterer Studien, einschließlich Beobachtungen einer breiteren Stichprobe von Galaxien, um die Gültigkeit ihrer Schlussfolgerungen zu stärken.