Bevor die ersten Sterne entstanden, war das Universum dunkel und einförmig: Selbst das frei umherschwebende Wasserstoffgas war in seiner Temperatur und seinem Energiezustand nicht von dem kosmischen Hintergrund zu unterscheiden. Doch das änderte sich, als die ersten Sterne ihre Kernfusion zündeten. Neben sichtbarem Licht ging von ihnen starke UV-Strahlung aus, die auch die primordialen Wasserstoffwolken traf. Die Wasserstoffatome absorbierten einen Teil dieser Strahlungsenergie und veränderten dadurch ihren Energiezustand. Erstmals entkoppelten sich die angeregten Atome dadurch vom kosmischen Hintergrund und erzeugten im Radiospektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung ein eigenes, schwaches Signal. Dieses Wasserstoffsignal besteht aus einer leicht erhöhten Absorption bei einer Wellenlänge von 21 Zentimetern. “Dies ist das allererste Indiz dafür, dass sich die ersten Sterne bildeten und begannen, das Medium um sie herum zu beeinflussen”, erklärt Co-Autor Alan Rogers vom Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Signal primordialen Wasserstoffs
Doch wann es im frühen Universum soweit war, dass die ersten stellaren Lichter angingen, war bisher nur ansatzweise bekannt. Einer der Gründe dafür: Das schwache Wasserstoffsignal ist extrem schwer nachzuweisen. “Quellen von Störgeräuschen können zehntausend Mal stärker sein als dieses Signal – es ist ein wenig so, als säße man mitten in einem Hurrikan und würde versuchen, den Flügelschlag eines Kolibris zu hören”, erklärt Peter Kurczynski von der US-National Science Foundation, einem der Geldgeber für dieses Projekt. Mehr als ein Jahrzehnt haben Forscher deshalb an einem Instrument getüftelt, das so schwache primordiale Signale in der kosmischen Hintergrundstrahlung detektieren kann. Das Ergebnis ist EDGES (Experiment to Detect Global EoR Signature) – eine nur tischgroße Antenne, die mitten in der Einöde Westaustraliens steht. In diese Gegend dringen nur sehr wenige menschengemachte Radiowellen vor, was das Störrauschen für die Messungen minimiert.
Wie die Astronomen nun berichten, ist es ihnen gelungen, das bisher früheste Signal kosmischen Wasserstoffs einzufangen. Es handelt sich dabei um eine Senke in den Radiowellen des kosmischen Hintergrunds, die auf eine leicht erhöhte Absorption der Strahlung bei einer Strahlungsfrequenz von 78 Megahertz hindeutet. “Das Profil dieses Signals ist konsistent mit den Erwartungen für das 21-Zentimeter-Signal der frühesten Sterne”, berichten Judd Bowman von der Arizona State University in Tempe und seine Kollegen. Um sicherzugehen, dass es sich nicht um einen Messfehler oder ein Störsignal handelte, haben sie ihre Messungen mit einer zweiten EDGES-Antenne und mit mehreren Hardware-Veränderungen wiederholt – das Signal blieb.
So haben die Astronomen das Signal der ersten Sterne aufgespürt (Video: National Science Foundation)
Erster Nachweis – und offene Fragen
“Dies ist der früheste direkte Nachweis eines Signals vom primordialen Wasserstoffgas”, sagt Rogers. “Die Frequenz entspricht der Zeit von etwa 180 Millionen Jahren nach dem Urknall.” Den Astronomen ist es damit gelungen, in eine entscheidende Ära unseres Kosmos zurückzublicken. Denn damals ging die “dunkle Ära” des Universums zu Ende und das Zeitalter der Sterne und Galaxien begann. “Das ist das erste Mal, dass wir direkte Beobachtungsdaten aus dieser Epoche haben”, kommentiert Colin Lonsdale, Leiter des Haystack Observatory vom MIT. Erstautor Bowman ergänzt: “Es ist unwahrscheinlich, dass wir noch zu unseren Lebzeiten jemals weiter zurück in die Geschichte der ersten Sterne schauen werden.”
Doch der neue Blick zurück wirft auch einige Fragen auf. Denn wie die Astronomen berichten, ist die Senke im Absorptionsprofil tiefer und stärker ausgeprägt als es die theoretischen Modelle vorhersagen. Das könnte bedeuten, dass die frühen Wasserstoffwolken fast doppelt so kalt waren wie bisher angenommen – nur rund drei Kelvin. Eine andere mögliche Erklärung wäre, dass die kosmische Hintergrundstrahlung damals sehr viel heißer war als es die Modelle postulieren. Was davon zutrifft und warum, ist bisher allerdings noch unklar. “Diese Ergebnisse erfordern einige Veränderungen in unseren aktuellen Vorstellungen von der frühen Entwicklung unseres Universums”, sagt Lonsdale. “Das könnte kosmologische Modelle beeinflussen und dazu führen, dass die Theoretiker noch einmal darüber nachdenken müssen, wie dies zu erklären ist.”
Einen ersten Erklärungsansatz stellt Rennan Barkana von der Universität Tel Aviv in einer parallel veröffentlichten “Nature”-Veröffentlichung auf. Demnach könnte sich der frühe Wasserstoff durch die Wechselwirkung mit Dunkler Materie abgekühlt haben. “Die einzige kosmische Komponente, die kälter sein kann als das frühe kosmische Gas ist die Dunkle Materie”, so der Forscher. Um seine Kühlwirkung auf das kosmische Gas zu entfalten, dürften die Teilchen der Dunklen Materie allerdings nur wenig leichter sein als einige Protonenmassen und müssten – wenn auch schwach – mit dem Gas interagieren.
Judd Bowman (Arizona State University, Tempe) et al., Nature, doi: 10.1038/nature25792
