Die frühe Abkühlung des Alls

Schatten einer kosmischen Wasserwolke zeigt die Temperatur im jungen Universum

Tief in die Vergangenheit des Universums hat ein Teleskop in den französischen Alpen geblickt. Mit ihm beobachteten die Forschenden erstmals eine extrem weit entfernte Wasserstoffwolke, welche die kurz nach dem Urknall entstandene kosmische Hintergrundstrahlung abschattet. Der Schatten entsteht, weil das kältere Wasser die wärmere Hintergrundstrahlung auf ihrem Weg zur Erde verschluckt. Dies gibt Aufschluss über die Temperatur des Kosmos nur 880 Millionen Jahre nach dem Urknall. Für die Messungen in der frühen Jugend des Alls nutzte ein internationales Team das „Northern Extended Millimeter Array“ (NOEMA), das leistungsstärkste Radioteleskop der nördlichen Hemisphäre.

Das Universum kam vor rund 13,8 Milliarden Jahren mit dem Urknall zur Welt. Damals waberte eine heiße, trübe Suppe aus Strahlung und Elementarteilchen im Raum, der sich rasch ausdehnte. Ebenso schnell nahmen Dichte und Temperatur ab, wobei auch die Lichtteilchen (Photonen) immer mehr an Energie verloren. Nach etwa 380.000 Jahren war dieses Plasma auf 3000 Kelvin abgekühlt. Jetzt konnten stabile Atome entstehen. Die Photonen hatten freie Bahn und breiteten sich im Weltall aus. Der Kosmos wurde gleichsam durchsichtig.

Das Universum expandiert seit dem Urknall, und diese 380.000 Jahre später ausgesendete Hintergrundstrahlung hat sich bis heute auf 2,728 Kelvin (minus 270,42 Grad Celsius) abgekühlt. Mit Radioteleskopen oder Satelliten lässt sie sich im Bereich der Mikrowellen beobachten. Doch wie genau ist dieser Abkühlungsprozess verlaufen? Könnten wir die Temperatur zu verschiedenen Zeiten der kosmischen Historie messen, dann ließe sich die Expansionsgeschichte des Alls rekonstruieren. Dabei könnte man Informationen über die Dunkle Energie gewinnen, die den Kosmos beschleunigt auseinander treibt.

Hier kommt die jüngste Beobachtung mit NOEMA ins Spiel. Diese Anlage des Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) besteht aus zwölf 15-Meter-Antennen, die auf das Objekt HFLS3 gerichtet wurden. Dahinter verbirgt sich eine „Starburst-Galaxie“ – ein junges Milchstraßensystem, das eine Phase heftiger Sternengeburten erlebt. Das Licht, welches wir heute von HFLS3 empfangen, ging zu einer Zeit auf die Reise, als das Weltall gerade mal 880 Millionen Jahre alt war. In dieser Galaxie befindet sich eine ausgedehnte Wolke aus kaltem Wasserdampf.

Bei der Beobachtung dieser Wolke trat ein Effekt auf, den die Forschenden von Sonne und Sternen kennen: Denn über den heißeren, tieferen Gasschichten befinden sich meist kühlere, durch die das Licht hindurch eilen muss. Dabei entstehen im Spektrum Absorptionslinien – bestimmte Wellenlängen, bei denen das oberflächennahe Sternenlicht von den höheren und kühleren Schichten verschluckt (absorbiert) wird. Beobachten Astronomen das regenbogenartige Spektrum eines Sterns, dann erscheinen diese Absorptionslinien tatsächlich wie dunklere, linienförmige Schatten.

Im Fall der Starburst-Galaxie HFLS3 wirkt die kosmische Hintergrundstrahlung wie eine Lichtquelle, die sich aus Sicht des Beobachters hinter der Galaxie befindet. Der Schatten entsteht, weil das kältere Wasser in der galaktischen Wolke die wärmere Mikrowellenstrahlung auf ihrem Weg zur Erde absorbiert. Da sich die Temperatur des Wassers aus anderen beobachteten Eigenschaften der Galaxie ableiten lässt, weist der Unterschied auf die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung zu diesem Zeitpunkt hin: Sie liegt etwa sechsmal höher als im heutigen Universum.

Denn aus ihren Beobachtungen schließen die Astronominnen und Astronomen, dass die Hintergrundstrahlung damals eine Temperatur zwischen 16,4 und 30,2 Kelvin gehabt haben muss. Dies stimmt mit der Temperatur von 20 Kelvin überein, die aktuelle kosmologische Modelle für den betreffenden Zeitpunkt 880 Millionen Jahre nach dem Urknall vorhersagen – angesichts des direkten Zusammenhangs zwischen der Abkühlung der Hintergrundstrahlung und der Expansionsgeschichte des Alls ein wichtiges Indiz, dass diese Modelle in sich stimmig sind.

„Die Entdeckung ist nicht nur ein Beweis für die Abkühlung, sondern sie zeigt uns auch, dass das Universum in seinen Anfängen einige ganz bestimmte physikalische Eigenschaften hatte, die heute nicht mehr existieren“, sagt der Erstautor des in der Zeitschrift Nature erschienenen Aufsatzes, Dominik Riechers vom Institut für Astrophysik der Universität zu Köln.

Laut Riechers eröffnet sich damit ein einzigartiges Fenster ins sehr junge All. „Schon rund 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall war der Mikrowellenhintergrund zu kalt, um diesen Effekt beobachten zu können.“ Würde heute eine Galaxie mit ansonsten identischen Eigenschaften wie HFLS3 existieren, wäre der Wasserschatten nicht beobachtbar, weil der erforderliche Temperaturkontrast nicht mehr vorhanden wäre.

„Das ist ein wichtiger Meilenstein, der nicht nur den erwarteten Abkühlungstrend für eine viel frühere Epoche als bisher möglich bestätigt, sondern auch direkte Auswirkungen auf die Natur der schwer fassbaren Dunklen Energie haben könnte", sagt Zweitautor Axel Weiß vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. „Wir sehen ein expandierendes Universum, in dem sich die Dichte der Dunklen Energie nicht ändert.“

Dunkle Energie wird als eine Ursache für die beschleunigte Expansion des Universums in den vergangenen Milliarden Jahren angesehen. Ihre Eigenschaften sind allerdings nach wie vor schlecht verstanden, da sie sich mit den derzeit verfügbaren Einrichtungen und Instrumenten nicht direkt beobachten lassen. Diese Eigenschaften beeinflussen jedoch die Entwicklung der kosmischen Expansion und damit die Abkühlungsrate des Universums vom Urknall bis heute.

Nachdem das Team eine kalte Wasserwolke in solch großer Entfernung aufgespürt hat, macht es sich nun auf die Suche nach vielen weiteren am Himmel. Ziel dabei ist es, die Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung in den ersten 1,5 Milliarden Jahren der Geschichte des Universums zu kartieren. „Dank der neuen Technik, die mit dem NOEMA-Interferometer ermöglicht wurde, können wir nun physikalische Prozesse im frühen Universum untersuchen, die sich uns bis jetzt entzogen haben“, sagt Co-Autor Fabian Walter vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

Und NOEMA-Projektwissenschaftler Roberto Neri ergänzt: „Unser Team verfolgt dieses Projekt weiter, indem es die Umgebung anderer Galaxien untersucht.“ Mit den zu erwartenden Verbesserungen der Präzision durch Analysen größerer Stichproben von Wasserwolken bleibe abzuwarten, ob unser derzeitiges, grundlegendes Verständnis der Dunklen Energie Bestand hat.

HOR