Frühes Universum Astronomen finden Spur der Ur-Sterne

180 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden die Signale, die Forscher nun in Australien aufgefangen haben. Die Ur-Sterne entstanden. Sie zu orten sei in etwa so schwierig, wie den Flügelschlag eines Kolibris in einem Hurrikan zu hören.

N.R.Fuller/ National Science Foundation

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Am Anfang war die Welt leer, sogar sehr leer. Denn unmittelbar nach dem Urknall gab es keine Galaxien, keine Sterne und keine Planeten. Hauptsächlich war das Universum mit Gas gefüllt, nämlich mit neutralem Wasserstoff.

Kosmologen finden diese enorme Langeweile trotzdem interessant, denn irgendwie muss darin ja die Saat für all das angelegt gewesen sein, was den heutigen Kosmos ausmacht. Eine zentrale Frage lautet: Wann endete das sogenannte "dunkle Zeitalter", wann wurden also die ersten Sterne geboren, die das All fortan erleuchteten?

Klar ist, dass diese erste Sternengeneration längst ausgestorben ist. Die ältesten Exemplare, die Astronomen bisher aufgespürt haben, sind bereits deren stellare Nachfahren. Zwar ist ein Blick in weit entfernte Regionen des Weltalls auch immer einer in die Vergangenheit, doch auf Porträtfotos der Ur-Sterne wird man wohl noch sehr lange warten.

Nun aber gibt es erstmals einen indirekten Hinweis: US-Astronomen berichten im Wissenschaftsmagazin "Nature" über ein Signal, das sie den ersten Sternen zuschreiben.

Als der Kosmos ein Baby war

Den gängigen Theorien zufolge bestand der frühe Kosmos anfangs nicht allein aus Wasserstoff, sondern auch noch aus Dunkler Materie. Schon bald nach dem Urknall soll diese ominöse Materieform dafür gesorgt haben, dass aus kleinen lokalen Dichteschwankungen die ersten größeren Strukturen heranwuchsen.

Auf kleineren Skalen musste die Schwerkraft das Wasserstoffgas soweit zusammenziehen, dass nach und nach die Bühne für die Geburt der ersten Sterne bereitet wurde. Doch wann genau war das?

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Frühes Universum: Grüße von den ersten Sternen: Grüße von den ersten Sternen

Das Forscherteam um Judd Bowman von der Arizona State University will nun in Radiosignalen die Spur der ältesten stellaren Vorfahren entdeckt haben. Demnach lässt sich der Stammbaum der Sterne bis 180 Millionen Jahre nach dem Urknall zurückverfolgen.

Damals war der Kosmos gleichsam ein Baby, er hatte lediglich 1,3 Prozent seines heutigen Alters von 13,8 Milliarden Jahren. "Es ist unwahrscheinlich, dass wir noch früher in die Geschichte der Sterne zurückblicken können", meint Bowman.

Für ihre Messungen verwendeten die Forscher ein sogenanntes Radiospektrometer. Das flache Instrument erinnert in Gestalt und Größe an eine Tischtennisplatte, es empfängt Radiowellen vom gesamten Himmel.

Die Astronomen maßen damit winzige Änderungen in der Stärke der kosmischen Hintergrundstrahlung, jeweils abhängig von deren Frequenz. Die Antenne fängt die Wellen auf, das verstärkte Signal wird dann in Computer digital gespeichert. Das Experiment ist so konstruiert, dass es extrem genau arbeitet.

Aufgestellt wurde die Präzisionsantenne am Murchison Radio-Astronomy Observatory in der Wüste Westaustraliens. Der Standort wird kaum von irdischen Störsendern beeinträchtigt.

Trotzdem war es eine große technische Herausforderung, "da Störquellen tausendmal stärker sind als das Signal", so Peter Kurczynski von der amerikanischen National Science Foundation, die den Bau des empfindlichen Empfängers mitfinanziert hatte. Es sei ähnlich schwierig wie den Flügelschlag eines Kolibris in einem Hurrikan zu hören, so Kurczynski.

Die Silhouette des Wasserstoffs

Einerseits bestätigen die Resultate die theoretischen Erwartungen, wann die Ur-Sterne einst entstanden. "Damals passierte es, dass der Wasserstoff durch einen Teil der Strahlung der ersten Sterne sichtbar wurde", so Alan Rogers vom Massachusetts Institute of Technology, der ebenfalls an der Studie beteiligt war.

Das Wasserstoffgas im Raum zwischen den Sternen wurde durch deren UV-Strahlung so angeregt, dass es die kosmische Hintergrundstrahlung teilweise absorbieren konnte. Auch damals schon durchdrang diese allgegenwärtige Strahlung als "Echo des Urknalls" das Weltall.

Kosmische Hintergrundstrahlung
REUTERS/ NASA

Kosmische Hintergrundstrahlung

Rogers: "Bei bestimmten Radiofrequenzen wird der Wasserstoff deshalb quasi als Silhouette sichtbar." Die verräterische Lücke im Spektrum liegt bei einer Frequenz von 78 Megahertz. Radiowellen in diesem Bereich wurden vom angeregten Wasserstoff verschluckt.

Andererseits ergaben die Messungen, dass das Gas im frühen Kosmos wohl viel kälter war als erwartet. Das bedeutet, dass entweder die bisherige Theorie über diese Zeit unvollständig ist, oder dass sich hier ganz neue Physik offenbart: Wenn nämlich das Wasserstoffgas mit Dunkler Materie nicht nur durch die gegenseitige Schwerkraft wechselwirkte, so könnte damals die "normale" Materie Energie an die Dunkle Materie verloren haben - eine bislang unberücksichtigte Kühlung.

Dieses Konzept, das über die bisherigen Vorstellungen von der Dunklen Materie hinaus reicht, schlägt Rennan Barkana von der Universität in Tel Aviv in einer eigenen Studie in derselben "Nature"-Ausgabe vor.

Bowman dazu: "Wenn sich die Idee bestätigt, haben wir etwas elementar Neues über die mysteriöse Dunkle Materie gelernt, die 85 Prozent der Materie im Universum ausmacht." Zunächst müssten allerdings die Daten weiter erhärtet werden, Bowman fordert andere Forschergruppen zur Überprüfung seiner Messungen auf.

Lincoln Greenhill sieht mit der neuen Studie bereits "einen Meilenstein" erreicht. Der Astronom von der Harvard University schreibt in der Ausgabe, die Autoren hätten ein neues Forschungsfeld eröffnet. Größere Antennenanlagen würden künftig in der Lage sein, Informationen über die dreidimensionale Struktur des Baby-Kosmos zu enthüllen.

Zusammengefasst: Mit einem Präzisionsdetektor haben Astronomen eine Lücke im Spektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung entdeckt. Diese soll 180 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sein, als Wasserstoff einen Teil der Strahlung verschluckte. Die Messung gilt als frühestes Signal der ersten Sterne - und verrät neue Details zur Wirkung der Dunklen Materie.



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