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Weltraumteleskop Planck : Die Frühchen des Universums

Eine Visualisierung der Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, wie sie vom Planck-Satelliten vermessen wurde. Bild: Esa, Planck-Kollaboration,

Wann fingen die ersten Sonnen an zu leuchten? Offenkundig deutlich später, als man bisher meinte. Das belegt die neue Analyse des Urknallechos .

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          Die ersten Sterne sind offenkundig etwa hundert Millionen Jahr später entstanden, als bisher angenommen hat. So begannen die ersten Gestirne erst rund 500 Millionen Jahre nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahre zu funkeln. Das legen die jüngsten Daten des europäischen Weltraumteleskops Planck nahe, das von 2009 und 2013 den kosmischen Mikrowellenhintergrund präzise vermessen und kartiert hat.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Der Mikrowellenhintergrund ist die wichtigste Informationsquelle, für all jene Astrophysiker, die versuchen die Entwicklungsgeschichte des frühen Universums zu entschlüsseln. Die fossile Strahlung stammt aus einer Zeit, als das Universum erst 380.000 Jahre alt war und allmählich aus seiner finstersten Epoche erwachte. Davor war der Kosmos noch eine undurchdringliche heiße, aus Protonen, Elektronen und Photonen bestehende Ursuppe, die sich rasch ausdehnte.

          Erst als sich die ersten Wasserstoffatome bildeten und das Universum auf etwa 3000 Grad abkühlte, begann sich der Kosmos allmählich zu lichten und wurde durchsichtig. Die Photonen, die mit den entstehenden Atomen weniger stark wechselwirkten als mit den Elektronen, konnten sich fortan ungestört ausbreiten. Sie sind noch heute als Hintergrundstrahlung zu beobachten. Zwar hat sich dieses Nachglühen des Urknalls aufgrund der Expansion des Universums mittlerweile auf minus 270 Grad abgekühlt, es ist aber immer noch als Mikrowellenstrahlung allgegenwärtig.

          Brillante Himmelskarten

          Aus den Daten des Planck-Observatorium, das aus einer Entfernung von rund 1,5 Millionen Kilometern den gesamte Himmel im Mikrowellenbereich viele Male escannt hat, sind eine Reihe Himmelskarten dieser urzeitlichen Strahlung erstellt worden. Winzige Temperaturunterschiede zwischen den verschiedenen Himmelsregionen zeigen, dass die Dichte der Materie des frühen Kosmos nicht ganz einheitlich war – aus diesen kleinen Fluktuationen entstanden alle zukünftigen Strukturen: die Sterne und Galaxien. Deren Saat wurde nach der heutigen Vorstellung der Astrophysiker bereits unmittelbar nach dem Urknall gelegt, als das Universum die inflationäre Phase durchlief. Dabei blähte es sich innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde auf die Größe einer Pampelmuse auf, um anschließend gleichmäßig zu expandieren.

          Illustration des Weltraumteleskops Planck der Esa: Missionsbeginn: Mai 2009, Missionsende: Herbst 2013

          In den jüngsten Daten von Planck haben die Forscher nach Informationen über die Frühgeschichte des Universums gesucht, das in der Polarisation, also der bevorzugten Schwingungsrichtung der Mikrowellenstrahlung, codiert ist. Das urtümliche Licht wurde polarisiert, als dessen Photonen an frei umherfliegenden Elektronen und anderen Materieteilchen gestreut wurde.

          Die Planck-Forscher haben nun den polarisierten Mikrowellenhintergrunds genauer unter die Lupe genommen und aus den Daten Informationen über die Entstehung der ersten Gestirne gewonnen. Die Daten deuten, wie die Forscher in einer der kommenden Ausgabe der Zeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ berichten, darauf hin, dass die ersten Sterne erst etwa 550 Millionen Jahre nach dem Urknall zu leuchten anfingen und so das Dunkle Zeitalter des Kosmos beendeten – 100 Millionen Jahre später als bisher angenommen.

          Rätselhaftes Dunkles Zeitalter

          Dieses Ergebnis löst auch ein astronomisches Rätsel: Bisherige Untersuchungen des Mikrowellenhintergrunds ließen auf eine frühere Geburt – 400 Millionen Jahre nach dem Urknall – der ersten Sterne vermuten. Himmelsbeobachtungen etwa mit dem Weltraumteleskop Hubble zeigten, dass die frühesten bekannten Galaxien im Universum schon 300 bis 400 Millionen Jahre nach dem Urknall auftauchten. Damit schien das Dunkle Zeitalter auch nach etwa 450 Millionen Jahren beendet gewesen zu sein.

          //www.dlr.de/dlr/presse/Portaldata/1/Resources/bilder/portal/portal_2015_1/Ceres_Ani.gif © ESA and the Planck Collaboration Polarisation of the Cosmic Microwave Background: full sky and details

          Doch nach allem was man heute weiß, war die Energie der Strahlung der jungen Galaxien nicht ausreichend, um das Ende der Dunklen Ära so früh einzuleiten. „In diesem Fall wären zusätzliche, mehr exotische Energiequellen nötigen um die Phase der Re-Ionisation einleiten zu können“, sagt George Efstathiou von der University of Cambridge.

          Als Re-Ionisation bezeichnet man die Epoche, in der die Strahlung der ersten Galaxien und Sterne, die aus der Verschmelzung von Elektronen und Protonen entstandenen Wasserstoffatome wieder zu ionisieren. Die Strahlung wurde wiederum an den Elektronen, die nun im Zuge der Photo-Ionisation freigesetzten wurden, gestreut, was schließlich zur Polarisation des Mikrowellenhintergrunds führte.

          Die Resultate von Planck legen nahe, dass mit der Neudatierung der ersten Sterne auch die Re-Ionsiation später einsetzte. Durch das spätere Ende der Dunklen Epoche, sollte es mit leistungsfähigen Teleskopen nun deutlich  einfacher sein, die erste Generation von Galaxien aufzuspüren.

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