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Astronomen haben Anzeichen von Sauerstoff in einer der ersten Galaxien des Universums entdeckt, die kurz nach dem kosmischen "dunklen Zeitalter" entstand, das vor dem Universum Sterne hatte, eine neue Studie findet.

Die Entdeckung - die sich auf die wahrhaft antike Galaxie SXDF-NB1006-2 konzentriert, die etwa 13,1 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegt - könnte helfen, das Rätsel zu lösen, wie die ersten Sterne dazu beigetragen haben, den trüben Nebel zu beseitigen, der einst das Universum füllte Forscher sagten.

Frühere Forschungen deuteten darauf hin, dass das Universum nach der Entstehung des Universums im Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren so heiß war, dass sich alle Atome in positiv geladene Kerne und negativ geladene Elektronen aufteilten. Diese Suppe aus elektrisch geladenen Ionen streute Licht und verhinderte, dass es sich frei bewegte. [Slideshow: Vom Urknall zum Jetzt in 10 einfachen Schritten]

"Dark Ages" des Universums

Frühere Arbeiten deuteten darauf hin, dass das Universum etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall genug abgekühlt war, um diese Teilchen zu Atomen zu vereinigen und schließlich das erste Licht im Kosmos - das vom Urknall - zum Leuchten brachte. Doch nach dieser Ära der Rekombination kam das kosmische "Dark Ages"; während dieser Epoche gab es kein anderes Licht, da sich noch keine Sterne gebildet hatten.

Frühere Forschungen deuteten auch darauf hin, dass das Universum, beginnend etwa 150 Millionen Jahre nach dem Urknall, während einer als Reionisierung bekannten Zeit aus dem kosmischen Mittelalter hervorging. In dieser Epoche, die mehr als eine halbe Milliarde Jahre dauerte, brachen Gasklumpen zusammen, um die ersten Sterne und Galaxien zu bilden, deren intensives ultraviolettes Licht den Großteil des neutral geladenen Wasserstoffs ionisierte und zerstörte und ihn unter Bildung von Protonen und Elektronen spaltete.

Details über die Epoche der Reionisation sind extrem schwer zu lesen, weil sie so lange her sind. Um Licht aus solch alten Zeiten zu sehen, suchen Forscher nach Objekten, die so weit wie möglich entfernt sind - je weiter sie entfernt sind, desto mehr Zeit benötigt ihr Licht, um zur Erde zu gelangen. Solche entfernten Objekte sind nur mit den besten derzeit verfügbaren Teleskopen sichtbar.

Über die Epoche der Reionisation ist noch vieles unbekannt, etwa was die ersten Sterne waren, wie die frühesten Galaxien entstanden und welche Lichtquellen die Reionisation verursacht haben. Einige frühere Arbeiten deuteten darauf hin, dass massereiche Sterne hauptsächlich für die Reionisation verantwortlich waren, aber andere Forschungen deuteten an, dass Schwarze Löcher ein bedeutender und potentiell dominanter Schuldiger hinter diesem Ereignis seien.

Wenn man sich nun eine antike Galaxie ansieht, haben Forscher vielleicht Hinweise auf die Ursache der Reionisation entdeckt.

"Die Galaxie, die wir beobachtet haben, könnte eine starke Lichtquelle für die Reionisation sein", sagte Studienautor Akio Inoue, ein Astronom an der Osaka Sangyo Universität in Japan, gegenüber ProfoundSpace.org.

Auf der Suche nach alten Galaxien mit Sauerstoff

Wissenschaftler analysierten eine Galaxie namens SXDF-NB1006-2, die etwa 13,1 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Als diese Galaxie 2012 entdeckt wurde, war sie die damals am weitesten entfernte Galaxie.

Anhand von Daten aus dem Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) in der Atacamawüste in Chile sahen die Forscher, wie SXDF-NB1006-2 700 Millionen Jahre nach dem Urknall aussah. Sie konzentrierten sich auf Licht von Sauerstoff und von Staubpartikeln.

"Die Suche nach schweren Elementen im frühen Universum ist ein wesentlicher Ansatz, um die Aktivitäten der Sternentstehung in dieser Zeit zu erforschen", sagte Inoue in einer Erklärung.

Die Wissenschaftler erkannten deutliche Anzeichen von Sauerstoff aus SXDF-NB1006-2, dem bisher am weitesten entfernten Sauerstoff. Dieser Sauerstoff wurde ionisiert, was darauf hindeutet, dass diese Galaxie eine Anzahl junger Riesensterne besaß, die mehrere Dutzend Mal schwerer waren als die Sonne. Diese jungen Sterne hätten auch intensives ultraviolettes Licht emittiert, schlugen die Forscher vor.

Die Wissenschaftler schätzten, dass Sauerstoff in SXDF-NB1006-2 10-mal weniger vorhanden war als in der Sonne. Diese Schätzung stimmte mit den Simulationen des Forschungsteams überein - nur leichte Elemente wie Wasserstoff, Helium und Lithium existierten bei der Entstehung des Universums, während schwerere Elemente wie Sauerstoff später in den Herzen der Sterne geschmiedet wurden.

Unerwarteterweise fanden die Forscher heraus, dass SXDF-NB1006-2 zwei- bis dreimal weniger Staub hat als Simulationen vorhergesagt hatten. Dieser Mangel an Staub könnte die Reionisation unterstützt haben, indem das Licht aus dieser Galaxie die große Menge an Gas außerhalb dieser Galaxie ionisiert hat, sagten die Forscher.

"SXDF-NB1006-2 wäre ein Prototyp der Lichtquellen, die für die kosmische Reionisation verantwortlich sind", sagte Inoue in einer Erklärung.

Eine mögliche Erklärung für die geringere Menge an Staub ist, dass Schockwellen von Supernova-Explosionen es zerstört haben könnten, sagten die Forscher. Eine andere Möglichkeit ist, dass es im Raum zwischen den Sternen von SXDF-NB1006-2, die in diesen Wolken wachsen, ähnlich wie Schneeflocken in kalten Wolken auf der Erde, nicht viel kalte kalte Wolken gegeben haben.

Diese Forschung kann helfen, zu beantworten, was Reionisation verursacht hat. "Die Quelle der Reionisation ist eine seit langem bestehende Materie - massereiche Sterne oder supermassive Schwarze Löcher?" Sagte Inoue. "Diese Galaxie scheint kein supermassives Schwarzes Loch zu haben, aber eine Anzahl von massereichen Sternen. Also könnten massereiche Sterne das Universum retionisiert haben."

Die Forscher analysieren weiterhin SXDF-NB1006-2 mit ALMA.

"Beobachtungen mit höherer Auflösung erlauben uns, die Verteilung und Bewegung von ionisiertem Sauerstoff in der Galaxie zu sehen und wertvolle Informationen zu liefern, um die Eigenschaften der Galaxie zu verstehen", sagte Co-Autor Yoichi Tamura von der Universität Tokio in einer Erklärung .

Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse am 16. Juni in der Fachzeitschrift Science detailliert.