Der Urknall mag hell und dramatisch gewesen sein, aber unmittelbar danach wurde das Universum dunkel und für eine sehr lange Zeit. Wissenschaftler glauben, dass die ersten Sterne 200 Millionen Jahre nach dem heißen Start in einer schlammigen Brühe aus Materie erschienen. Da moderne Teleskope nicht empfindlich genug sind, um das Licht dieser Sterne direkt zu beobachten, suchen Astronomen nach indirekten Beweisen für ihre Existenz.
Und so gelang es einem Wissenschaftlerteam, mit einer Tischantenne namens EDGES ein schwaches Signal von diesen Sternen aufzunehmen. Spektakuläre Messungen, die ein neues Fenster in das frühe Universum öffnen, zeigen, dass diese Sterne 180 Millionen Jahre nach dem Urknall erschienen. Die in Nature veröffentlichte Arbeit legt auch nahe, dass Wissenschaftler überdenken könnten, woraus "dunkle Materie" - eine mysteriöse Art unsichtbarer Substanz - besteht.
Modelle zeigten, dass die ersten Sterne, die das Universum beleuchteten, blau und kurzlebig waren. Sie tauchten das Universum in ein Bad aus ultraviolettem Licht. Das allererste beobachtbare Signal dieser kosmischen Morgendämmerung wurde lange Zeit als "Absorptionssignal" angesehen - ein Helligkeitsabfall bei einer bestimmten Wellenlänge - der durch den Durchgang von Licht verursacht wird und die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoffgaswolken beeinflusst, dem am häufigsten vorkommenden Element im Universum.
Wir wissen, dass dieser Abfall im Radiowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums bei einer Wellenlänge von 21 cm erfasst werden sollte.
Komplexe Messung
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Am Anfang gab es eine Theorie, die all dies vorhersagte. In der Praxis ist es jedoch äußerst schwierig, ein solches Signal zu finden. Dies liegt daran, dass es mit vielen anderen Signalen in diesem Bereich des Spektrums verflochten ist, die viel stärker sind - zum Beispiel den gemeinsamen Frequenzen von Radiosendungen und Radiowellen von anderen Ereignissen in unserer Galaxie. Der Grund, warum die Wissenschaftler erfolgreich waren, war teilweise, dass das Experiment mit einem empfindlichen Empfänger und einer kleinen Antenne ausgestattet war, wodurch es möglich war, einen großen Bereich des Himmels relativ leicht abzudecken.
Um sicherzustellen, dass ein gefundener Helligkeitsabfall auf das Sternenlicht des frühen Universums zurückzuführen ist, untersuchten die Wissenschaftler die Doppler-Verschiebung. Sie kennen diesen Effekt durch das Absenken der Tonhöhe, wenn ein Auto mit Blinker und Sirene an Ihnen vorbeifährt. Wenn sich Galaxien aufgrund der Expansion des Universums von uns entfernen, verschiebt sich das Licht ebenfalls in Richtung roter Wellenlängen. Astronomen nennen diesen Effekt "Rotverschiebung".
Die Rotverschiebung sagt Wissenschaftlern, wie weit eine Gaswolke von der Erde entfernt ist und wie lange es nach kosmischen Maßstäben her ist, dass Licht von ihr emittiert wurde. In diesem Fall zeigt jede bei 21 cm Wellenlänge erwartete Helligkeitsverschiebung die Gasbewegung und -entfernung an. Wissenschaftler haben den Helligkeitsabfall gemessen, der in verschiedenen kosmischen Zeiträumen bis zu dem Moment auftrat, als das Universum erst 180 Millionen Jahre alt war, und ihn mit seinem aktuellen Zustand verglichen. Es war das Licht der ersten Sterne.
Hallo dunkle Materie
Die Geschichte endet nicht dort. Die Wissenschaftler waren überrascht, dass die Signalamplitude doppelt so groß war wie vorhergesagt. Dies deutet darauf hin, dass das Wasserstoffgas vom Mikrowellenhintergrund aus viel kälter war als erwartet.
Diese Ergebnisse wurden in einem anderen Artikel in Nature veröffentlicht und werfen einen Köderhaken für theoretische Physiker. Dies liegt daran, dass aus der Physik klar wird, dass Gas zu diesem Zeitpunkt der Existenz des Universums leicht zu erhitzen, aber schwer zu kühlen war. Um die mit dem Signal verbundene zusätzliche Kühlung zu erklären, musste das Gas mit etwas noch Kälterem interagieren. Und das einzige, was im frühen Universum kälter als kosmisches Gas war, war dunkle Materie. Theoretiker müssen nun entscheiden, ob sie das Standardmodell der Kosmologie und Teilchenphysik erweitern können, um dieses Phänomen zu erklären.
Wir wissen, dass es fünfmal mehr dunkle Materie als gewöhnliche Materie gibt, aber wir wissen nicht, woraus sie besteht. Es wurden verschiedene Varianten von Partikeln vorgeschlagen, aus denen dunkle Materie bestehen könnte, und der Favorit unter ihnen ist das schwach wechselwirkende massive Partikel (WIMP).
Die neue Studie legt jedoch nahe, dass das Teilchen der dunklen Materie nicht viel schwerer sein sollte als das Proton (das zusammen mit dem Neutron in den Atomkern eintritt). Dies liegt weit unter den für das WIMP vorhergesagten Massen. Die Analyse legt auch nahe, dass dunkle Materie kälter als erwartet ist und eröffnet eine faszinierende Gelegenheit, die "21-cm-Kosmologie" als Sonde für dunkle Materie im Universum zu verwenden. Weitere Entdeckungen mit empfindlicheren Empfängern und weniger Störungen durch terrestrisches Radio könnten mehr Details über die Natur der Dunklen Materie enthüllen und möglicherweise sogar die Geschwindigkeit anzeigen, mit der sie sich fortbewegt.
Ilya Khel
