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Als es nach dem Urknall hell wurde: Kompakte Galaxie haben das frühe Universum aufgeheizt

14.01.2016

Wie ist das dunkle Zeitalter des Kosmos kurz nach dem Urknall zuende gegangen? Sogenannte "green pea"-Galaxien, die intensive UV-Strahlung produzieren, werden als mögliche Erklärung gehandelt. Jetzt haben Forscher eine dieser Galaxien eingehend untersucht und nachgewiesen, dass sie in der Tat genug UV-Strahlung in den umgebenden Raum abstrahlt, um die kosmische Reionisierung zu erklären: jene Übergangsphase ab rund 150 Millionen Jahren nach dem Urknall, bei dem der Großteil des intergalaktischen Wasserstoffs in Elektronen und Protonen zerlegt wurde. Das Forschungsergebnis wurde in der Ausgabe vom 14. Januar 2016 der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Nach der Urknallphase vor rund 13,8 Milliarden Jahren kühlte sich das Universum rapide ab, und im Laufe von weniger als einer Million Jahren wurde der Kosmos komplett dunkel. Der Übergang von diesem "Dunklen Zeitalter" zur Entstehung der ersten Sterne und Galaxien ist eine der am wenigsten verstandenen Epochen kosmischer Geschichte.


Die "Grüne-Erbsen-Galaxie" J0925+1403, aufgenommen mit dem Weltraumteleskop Hubble. Es handelt sich um ein geglättetes Falschfarbenbild, aufgenommen im nahen UV-Bereich (HST/COS zentriert um die Wellenlänge 230 nm), grün eingefärbt um dem Erscheinungsbild zu ähneln, welches Grüne-Erbsen-Galaxien bei Aufnahmen im sichtbaren Licht haben.

Mit einem Durchmesser von nur rund 6000 Lichtjahren ist diese Galaxie weniger als 1/15 so groß wie unsere Milchstraße (genauer: deren sichtbare Anteile). Astronomen haben jetzt gemessen, dass rund 8% der UV-Strahlung, die diese Galaxie produziert, in den umgebenden Weltraum abstrahlen. Das reicht dafür aus, dass Galaxien dieses Typs die Schlüsselrolle bei der Reionisierung des Kosmos kurz nach dem Urknall hätten spielen können.

Bild: Ivana Orlitová, Astronomisches Institut der Tschechischen Akademie der Wissenschaften, Prag

Jetzt hat eine Gruppe von Astronomen, zu der auch Gabor Worseck vom Max-Planck-Institut für Astronomie gehört, nachgewiesen, dass "Green Pea"-Galaxien (wörtlich "grüne Erbsen") die richtigen Eigenschaften besitzen, um bei diesem Übergang eine Schlüsselrolle gespielt zu haben. Green Peas, so benannt nach ihrem typischen Erscheinungsbild in astronomischen Aufnahmen, sind hochkompakte Galaxien niedriger Masse, die große Mengen neuer Sterne bilden.

Green Peas könnten wesentlich für die Reionisierung des Universums ab ca. 150 Millionen Jahren nach dem Urknall verantwortlich sein. Damals wurde der Großteil des Wasserstoffs im frühen Universum ionisiert, also in Protonen und Elektronen aufgespalten. Galaxien mit hoher Sternentstehungsrate wie die Green Peas bilden beträchtliche Mengen an massereichen Sternen, und diese wiederum leuchten im UV-Bereich so hell, dass sie Wasserstoff ionisieren können.

Allerdings hatte bislang niemals zeigen können, dass von Galaxien dieses Typs ausreichende Mengen an hochenergetischer Strahlung ausgehen. Im Gegenteil hatten alle bisherigen Beobachtungen Galaxien erfasst, bei denen der Großteil der UV-Strahlung innerhalb der Galaxie absorbiert wird ohne dass genügend Strahlung übrig bliebe, um nennenswerte Mengen intergalaktischen Wasserstoffs zu ionisieren.

Zudem war klar: Wenn es doch Exemplare der Green Peas gab, aus denen größere Strahlungsmengen nach außen drangen, würden sie nur in unserer kosmischen Nachbarschaft nachweisbar sein. Für deutlich weiter entfernte Galaxien würde die UV-Strahlung vom intergalaktischen Wasserstoff absorbiert, bevor sie die Erde erreicht.

Daher setzten sich die Forscher unter der Leitung von Juri Izotov von der Akademie der Wissenschaften der Ukraine daran, in unserer kosmischen Umgebung stark strahlende Green Peas zu finden. Um vielversprechende Kandidaten auszuwählen bedienten sie sich des Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Die fünf besten Kandidaten wurden dann mit dem Hubble-Weltraumteleskop genauer untersucht.

Hier kam Gabor Worseck ins Spiel, ein Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie. Worseck sagt: "Ich habe über die letzten Jahre hinweg eine besondere Methode entwickelt, um Spektraldaten des Hubble-Teleskops zu analysieren, die für diese Messungen wie maßgeschneidert ist. So konnten wir dann ganz genau bestimmen, wieviel UV-Strahlung die fünf Green Pea-Galaxien aussenden."

Eine der Kandidatengalaxien, mit der Bezeichnung J0925+1403, erwies sich als besonders wirkmächtig: ganze 8% ihrer UV-Strahlung entkommt aus der Galaxie in den intergalaktischen Raum und würde ausreichen, dort Wasserstoffgas mit dem mehr als 40fachen der Gesamtmasse der Galaxie zu ionisieren. Damit dürften Green Peas in der Tat in der Lage gewesen sein, die kosmische Reionisierung zu bewerkstelligen. Damit wird plausibel, dass tatsächlich die damaligen Green Peas verantwortlich gewesen sein könnten, dass das Dunkle Zeitalter kurz nach dem Big Bang ein Ende fand.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse sind veröffentlicht als Y. I. Izotov et al., "Lyman continuum leaking from the compact star-forming dwarf galaxy J0925+1403" in der Ausgabe vom 14. Januar 2016 der Fachzeitschrift Nature. Medienvertreter, die Zugang zum Originalartikel erhalten möchten, wenden sich bitte an r.walton@nature.com

Weitere Informationen:

http://www.mpia.de/news/wissenschaft/2016-02-dunkles-zeitalter - Online-Version der Mitteilung

Dr. Markus Pössel | Max-Planck-Institut für Astronomie

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