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Eine Illustration zeigt, wie das Universum ausgesehen haben könnte, als es weniger als 1 Milliarde Jahre alt war.(Bildnachweis: NASA, ESA und A. Schaller (für STScI))

Das nächste große Observatorium der NASA, das Nancy Grace Roman Space Telescope, wird, wenn es seine Augen für den Kosmos öffnet, einen Blick zurück auf eine ferne Periode in der Geschichte des Universums werfen, die als „kosmische Dämmerung“ bezeichnet wird.

Die Vorgängerteleskope von Roman, das Hubble Space Telescope und das James Webb Space Telescope (JWST), nutzen zwar die Tatsache, dass der Kosmos heute für Licht durchlässig ist, doch war das Universum nicht immer so.

Bis etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall war der Kosmos undurchsichtig, voll von einem undurchsichtigen „Nebel“ aus Teilchen, die Photonen, also Lichtteilchen, absorbierten. Die kosmische Morgendämmerung, zwischen 50 Millionen und einer Milliarde Jahren nach dem Urknall, stellt den Zeitraum dar, in dem sich dieser Nebel zu lichten begann und das Licht sich frei bewegen konnte.

Es ist auch eine der wichtigsten Perioden in der 13,8 Milliarden Jahre alten Geschichte des Universums, denn es war auch die Zeit, in der die ersten Sterne, Galaxien und schwarzen Löcher geboren wurden. Das Nancy Grace Roman Space Telescope (Roman), das im Mai 2027 starten soll, wird den Einfluss dieser Himmelsobjekte während dieses entscheidenden kosmischen Wendepunkts untersuchen.

„Etwas sehr Grundlegendes über die Natur des Universums hat sich während dieser Zeit verändert“, sagte Michelle Thaller, Astrophysikerin am Goddard Space Flight Center der NASA in Maryland, in einer Erklärung. „Dank der großen, scharfen Infrarotaufnahme von Roman können wir endlich herausfinden, was während eines kritischen kosmischen Wendepunkts geschah.“

Lass es Licht werden!

Während der Entstehungsjahre des Universums war es mit einem heißen, dichten Meer von Teilchen gefüllt, darunter auch freie Elektronen. Diese negativ geladenen Teilchen streuten endlos Photonen und machten das Universum undurchsichtig.

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Als sich der Kosmos weiter ausdehnte, kühlte er sich auch ab und erreichte einen Punkt, an dem sich Elektronen mit Protonen verbinden konnten, um die ersten neutralen Atome und die ersten Elemente, Wasserstoff und Helium, zu bilden. Dies führte zur Bildung der ersten Sterne und Galaxien. Durch den Wegfall der freien Elektronen konnte sich das erste Licht durch das Universum bewegen. Wir sehen dieses Licht heute als „himmlisches Fossil“, den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB).

Obwohl das Licht zu diesem Zeitpunkt nicht mehr endlos von freien Elektronen gestreut wurde, konnte es sich immer noch nicht sehr weit ausbreiten. Dieser Zeitraum, der zwischen 380.000 und 200 Millionen Jahren nach dem Urknall dauerte, wurde als kosmisches Dunkelzeitalter bezeichnet. Sie endete nach einigen hundert Millionen Jahren, als die neutralen Atome zerfielen oder ionisiert wurden und die kosmische Dämmerung einsetzte.

Die Frage ist: Was hat diese Ionisierung der neutralen Atome verursacht?

„Wir sind sehr neugierig darauf, wie der Prozess abgelaufen ist“, sagt Aaron Yung vom Space Telescope Science Institute in Baltimore, der zum Team von Romans Beobachtungen des frühen Universums gehört. „Romans große, scharfe Sicht auf den tiefen Weltraum wird uns helfen, verschiedene Erklärungen abzuwägen.

Eine künstlerische Darstellung des Nancy Grace Roman Space Telescope bei der Arbeit. (Bildnachweis: NASA)

Die frühen Galaxien selbst sind eine mögliche Quelle der Strahlung, die die Energie zur Ionisierung der frühen neutralen Atome lieferte. Die Umgebung der ersten schwarzen Löcher ist eine weitere mögliche Quelle für dieses hochenergetische Licht.

Roman wird diese beiden Verdächtigen unter die Lupe nehmen.

„Roman wird sich bei der Suche nach den Bausteinen kosmischer Strukturen wie Galaxienhaufen, die sich später bilden, auszeichnen“, sagte Takahiro Morishita, ein Assistenzwissenschaftler am California Institute of Technology in Pasadena. „Es wird schnell die dichtesten Regionen identifizieren, in denen mehr ‚Nebel‘ gelichtet wird, was Roman zu einer Schlüsselmission zur Erforschung der frühen Galaxienentwicklung und der kosmischen Morgendämmerung macht.“

Die Sterne in der kosmischen Morgendämmerung unterschieden sich von denen im heutigen Universum, da die Dichte des frühen Kosmos es ihnen ermöglichte, zu Massen heranzuwachsen, die Hunderte oder sogar Tausende Male so groß waren wie die der Sonne. Die enorme Masse dieser frühen Sterne bedeutete, dass sie viel kürzer lebten als die geschätzte 10-Milliarden-Jahre-Lebensdauer der Sonne, aber sie bedeutete auch, dass sie eine intensivere Strahlung ausstießen als moderne Sterne.

In dichten frühen Galaxien zusammengekauert, löste die Energie dieser Sterne Elektronen von Protonen in den sie umgebenden Raumblasen.

„Man könnte es die Party am Anfang des Universums nennen“, sagt Thaller. „Wir haben die Geburt der allerersten Sterne und Galaxien nie gesehen, aber es muss spektakulär gewesen sein!“

Schwarze Löcher feiern die kosmische Morgendämmerung

Als diese kurzlebigen massereichen Sterne kollabierten, als ihr nuklearer Brennstoff erschöpft war, brachten sie die ersten schwarzen Löcher hervor. In den dichten Umgebungen des frühen Universums kollidierten und verschmolzen diese schwarzen Löcher immer wieder.

Dies führte zur Entstehung supermassiver schwarzer Löcher mit der millionen- oder milliardenfachen Masse der Sonne, doch wie schwarze Löcher so schnell so groß werden konnten, ist immer noch ein dringendes kosmisches Rätsel.

Eine Illustration zeigt ein supermassereiches Schwarzes Loch, das mit eruptiven Strahlen explodiert. (Bildnachweis: NAOJ/AND You Inc.)

Obwohl Schwarze Löcher selbst kein Licht aussenden, da sie von einer Grenze umgeben sind, die als „Ereignishorizont“ bezeichnet wird und den Punkt markiert, an dem nicht einmal Licht aus ihnen entweichen kann, könnten diese frühen supermassereichen Schwarzen Löcher dennoch zur Ionisierung beigetragen haben.

Wenn ein supermassereiches Schwarzes Loch von Gas und Staub umgeben ist, von dem es sich ernährt, setzt sich dieses Material in einer schnell wirbelnden Wolke ab, die als Akkretionsscheibe bezeichnet wird. Der massive Gravitationseinfluss des Schwarzen Lochs verursacht starke Gezeitenkräfte in der Akkretionsscheibe, die Reibung erzeugen und Gas und Staub aufheizen, so dass sie im gesamten elektromagnetischen Spektrum hell leuchten.

Darüber hinaus können die Magnetfelder des Schwarzen Lochs Material zu seinen Polen leiten, von wo aus es in Form von Zwillingsjets mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen wird. Diese Strahlen werden ebenfalls von elektromagnetischer Strahlung begleitet. Die Jets von supermassiven Schwarzen Löchern, die sich über Hunderttausende von Lichtjahren erstrecken, sind durchaus in der Lage, Elektronen aus neutralen Atomen zu reißen.

Diese aktiven Regionen mit supermassiven schwarzen Löchern oder aktiven galaktischen Kernen werden als Quasare bezeichnet, und das WST hat sie in Entfernungen entdeckt, die einem Zeitraum von weniger als einer Milliarde Jahren nach dem Urknall entsprechen. Das leistungsstarke Weltraumteleskop findet bei der Erforschung der kosmischen Morgendämmerung weit mehr Quasare als erwartet.

Wenn Roman einsatzbereit ist, könnte sein größeres Sichtfeld ein klareres Bild davon geben, wie häufig Quasare während der kosmischen Dämmerung waren, und möglicherweise Zehntausende dieser von supermassiven schwarzen Löchern angetriebenen Regionen finden.

„Mit einer stärkeren statistischen Stichprobe werden die Astronomen in der Lage sein, eine breite Palette von Theorien zu testen, die durch die JWST-Beobachtungen inspiriert wurden“, erklärte Yung.

Eine Frage, die die Forscher mit Roman zu beantworten versuchen werden, ist, welche Art von Galaxien für die ionisierende Strahlung in der kosmischen Morgendämmerung verantwortlich waren. Ein wichtiger Indikator dafür wird die Größe der ionisierten Blasen sein, die durch die Strahlung entstanden sind.

„Es könnte sein, dass junge Galaxien den Prozess in Gang setzten und dann Quasare die Arbeit beendeten“, schloss Yung. „Galaxien würden riesige Blasenhaufen um sich herum erzeugen, während Quasare große, kugelförmige Blasen erzeugen würden. Wir brauchen ein großes Sichtfeld wie das von Roman, um ihre Ausdehnung zu messen, da sie in beiden Fällen wahrscheinlich bis zu Millionen von Lichtjahren breit sind – oft größer als das Sichtfeld des JWST.“