Nachweis des fernsten Sauerstoffs im All

Signal aus der Frühzeit des Universums: Astronomen haben erstmals Sauerstoff in 13,1 Milliarden Lichtjahren Entfernung nachgewiesen – so weit entfernt wie noch nie zuvor. Das ionisierte Gas stammt aus einer Galaxie, die nur 700 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte. Der Nachweis des ionisierten Sauerstoffs könnte darauf hindeuten, dass diese Galaxie zu den treibenden Kräften der Reionisierung des Universums gehörte, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten.

Rund 550 Millionen Jahre nach dem Urknall durchlebte das junge Universum einen entscheidenden Wandel: die Epoche der Reionisierung. In dieser Phase wandelte die intensive Strahlung der ersten jungen Sterne die interstellaren Wolken aus neutralem Wasserstoffgas in Ionen um und schuf damit eine wichtige Voraussetzung für die weitere Entwicklung. Als diese massereichen, aber kurzlebigen Sterne dann in Supernovae explodierten, setzen sie auch die ersten schwereren Elemente frei.

Fahndung in 13,1 Milliarden Lichtjahren Entfernung

Ab wann es den ersten Sauerstoff im Universum gab, ist nun durch die Entdeckung von Akio Inoue von der Osaka Sangyo Universität und seine Kollegen um einiges klarer geworden. Auf der Suche nach dem spektralen „Fingerabdruck“ ionisiertem Sauerstoffs hatten sie mit Hilfe des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) das Licht einer der fernsten uns bekannten Galaxien analysiert, der 13,1 Milliarden Jahre entfernten Galaxie SXDF-NB1006-2.

Zuvor mussten die Forscher in Simulationen ermitteln, in welchem Wellenlängenbereich des Lichts sie das Signal des Sauerstoffs suchen müssen. Denn doppelt ionisierter Sauerstoff erzeugt zwar normalerweise eine wohlbekannte Emission von 88 Mikrometern Wellenlänge. Durch die enorme Entfernung der Galaxie und die Ausdehnung des Weltalls wird diese Strahlung jedoch stark gedehnt – bis auf 725 Mikrometer, wie die Astronomen ausrechneten.

Lage der Galaxie SXDF-NB1006-2 (rot) im Subaru XMM-Newton Deep Survey Field. Sie ist mit 13,1 Milliarden Lichtjahren die fernste Galaxie dieses Surveys. © NAOJ

Fernster Nachweis von Sauerstoff

Und tatsächlich: Die ALMA-Teleskope registrierten im Licht der fernen Galaxie SXDF-NB1006-2 das spektrale Signal des ionisierten Sauerstoffs. Dies belegt, dass dieses Gas 700 Millionen Jahre nach dem Urknall definitiv schon existierte. Es ist gleichzeitig der bisher früheste Nachweis von Sauerstoff überhaupt, wie die Astronomen berichten. Die Präsenz des ionisierten Gases verrät, dass in dieser Galaxie bereits einige junge Sternenriesen existierten, deren hartes UV-Licht die Gase ionisierten.

Aus der Intensität des spektralen Signals konnten die Forscher ermitteln, wie viel Sauerstoff es damals in dieser Galaxie gab: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Galaxie nur rund ein Zehntel soviel Sauerstoff enthielt wie unsere Sonne heute“, berichtet Koautor Naoki Yoshida von der Universität Tokio. Das klingt zwar extrem wenig, ist aber so kurz nach Bildung der allerersten Sterne erklärbar: Es gab einfach noch nicht so viele schwere Elemente im Kosmos.

Kein Staub oder Kohlenstoff

Weitaus überraschender war etwas Anderes: Im Spektrum konnten die Astronomen keine Emissionslinie für Kohlenstoff entdecken, dieses Element schien in der Galaxie komplett zu fehlen. „Das spricht für eine ungewöhnlich kleine Menge an neutralem Gas“, so die Forscher. Ebenso vergeblich suchten sie nach der typischen Infrarotstrahlung von Staubwolken. Auch diese fehlten.

Aufnahme des ionisierten Sauerstoffs (grün) von ALMA, kombiniert mit Daten zu ionisiertem Wasserstoff vom Subaru-Teleskop (blau) und von UV-Licht, aufgenommen durch das UK Infrared Telescope . © ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NAOJ

„Ich vermute, dass nahezu alles Gas dieser Galaxie stark ionisiert ist“, sagt Inoue. Den Grund dafür könnte neben der Präsenz massereicher, junger Sterne das Fehlen von Staub und Kohlenstoff liefern. Denn wenn verhüllende Staubschleier fehlen, dann kann die harte Strahlung der Sterne ungehindert die gesamte Galaxie durchfluten – und alles Gas ionisieren, das ihm in die Quere kommt.

„Damit entspräche SXDF-NB1006-2 genau dem Typ von Strahlungsquelle, die wahrscheinlich für die kosmische Reionisierung verantwortlich waren“, erklärt Inoue. „Denn diese Merkmale erlauben es den ionisierenden Photonen der Sternenstrahlung, ungehindert in das intergalaktische Medium zu entweichen.“ (Science, 2016; doi: 10.1126/science.aaf0714)

(National Institutes of Natural Sciences/ Kavli Institute, 17.06.2016 – NPO)