Späte Reionisierung: Die Morgendämmerung des Kosmos dauerte länger als gedacht. Denn noch bis 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall gab es ausgedehnte Reste primordialen, neutralen Wasserstoffs im Universum, wie Astronomen mithilfe von Quasar-Spektren herausgefunden haben. Erst danach war der gesamte Wasserstoff durch die Strahlung der ersten Sterne ionisiert – die Phase der kosmischen Reionisierung endete demnach später als es gängige Modelle vorhersagen.
Als rund 380.000 Jahre nach dem Urknall die ersten Atome entstanden, wurde das Universum erstmals durchsichtig. Neutraler Wasserstoff erfüllte das All und bildete den Grundstoff für die ersten Sterne. Mit ihnen begann auch die kosmische Morgendämmerung – das Zeitalter der Reionisierung. In dieser Phase ionisierte die intensive Strahlung der Sterne und Galaxien den primordialen Wasserstoff und schuf das bis heute das All erfüllende interstellare Medium.
Doch wann genau das Zeitalter der Reionisierung begann und wie lange es dauerte, ist bislang strittig – auch weil es bisher nur wenige Daten aus dieser Frühzeit des Kosmos gibt. Beobachtungen von frühen Sternen und Elementen legen nahe, dass die Ionisierung schon weniger als 300 Millionen Jahre nach dem Urknall begonnen haben könnte und dann langsam an Fahrt gewann. Gängigen Modellen zufolge endete diese Phase dann weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall wieder.
Quasarlicht als „Zeitmaschine“
Ein anderes Bild zeichnet nun die Studie von Astronomen um Sarah Bosman vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg. Sie haben hochauflösende Lichtspektren von 67 Quasaren aus der Frühzeit des Kosmos auf die sogenannte Lyman-Alpha-Linien hin untersucht – die Spektrallinien, die bei der Absorption des Lichts durch Wasserstoff entstehen. Strahlt das Licht eines fernen Quasars durch Wolken aus neutralem Wasserstoff, sind diese Absorptionslinien besonders stark ausgeprägt.
Anhand der Rotverschiebung der Spektrallinien lässt sich zudem erkennen, in welcher Entfernung diese Absorption stattfindet und damit auch, zu welcher Zeit. Bisher allerdings hatten Messungen an einzelnen Quasaren widersprüchliche Ergebnisse geliefert: Einige zeigten starke Schwankungen noch bis zu einer Rotverschiebung von z = 5,6, deren Quelle sich aber nicht eindeutig identifizieren ließ.
Erschwerend kommt hinzu, dass es auch im heutigen Kosmos zwischen den Galaxien Gasfilamente aus neutralem Wasserstoff gibt, deren Signal anhand ihrer abweichenden Rotverschiebung aus den Beobachtungsdaten entfernt werden muss. Doch die hohe Qualität der 67 jetzt untersuchten Quasarspektren erlaubte es Bosman und ihrem Team, solche und andere Störeffekte und Verzerrungen mit relativ hoher Sicherheit auszuschließen.
Signifikante Abweichungen von den Modellen
Das Ergebnis: Bis zu einer Rotverschiebung von z = 5,2 stimmen die Quasardaten zur Wasserstoff-Ionisierung gut mit gängigen Modellen überein. „Die exzellente Übereinstimmung mit den Modellen legt nahe, dass unsere Beobachtungen und die Physik der Simulationen die Spannbreite der Daten korrekt abdecken“, schreibt das Team. Das allerdings galt nicht für die Zeit davor – und damit genau für die Phase, in der nach vorherrschender Meinung die Reionisierung schon abgeschlossen sein musste.
Stattdessen zeigten die Quasarspektren für Rotverschiebungen von mehr als z = 5,2 zunehmende Abweichungen zu den Modellen, wie die Astronomen berichten. Statt dem allmählichen Verschwinden der Absorption durch neutralen Wasserstoff in dieser Phase zeigten sich in den Quasarspektren tiefe und stark schwankende Absorptionslinien. Diese Abweichungen blieben auch dann noch erhalten, als die Forschenden jeweils die drei stärksten Absorptionströge aus den Spektren herausnahmen.
Ende erst 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall
Das bedeutet: Bis zu einer Rotverschiebung von z = 5,3 muss es im Universum ausgedehnte Vorkommen von neutralem Wasserstoff gegeben haben. Auch 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall war die Reionisierung des kosmischen Wasserstoffs demnach nicht abgeschlossen. Die kosmische Morgendämmerung hielt damit deutlich länger an als es die meisten gängigen Modelle nahelegten.
„Damit haben wir nun den bisher stärksten Beweis dafür, dass der Prozess viel später endete“, sagt Bosmans Kollege Frederick Davies. Bisher gingen Astronomen von einem Ende der Reionisierung deutlich vor einer Milliarde Jahre nach dem Urknall aus. „Dieser neue Datensatz ist ein entscheidender Prüfstein, an dem sich numerische Simulationen der ersten Milliarden Jahre des Universums in den kommenden Jahren messen lassen werden“, so Davies weiter.
Neue Einblicke in den frühen Kosmos
Die neuen Ergebnisse werfen auch ein neues Licht auf die Sternbildung und das Galaxienwachstum in der Frühzeit des Kosmos. Denn deren Dichte und Strahlungsintensität war entscheidend für das Fortschreiten und Tempo der Reionisierung. Die neuen Daten könnten daher dabei helfen, die bisher kaum verstandenen Prozesse dieser frühen Phase des Kosmos zu charakterisieren. (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2022; doi: 10.1093/mnras/stac1046)
Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie
