Der Fall gegen den Mond: Warum sollten wir nicht geradeaus gehen?

Die dunklen Zeitalter des Universums - eine Ära der Dunkelheit, die vor den ersten Sternen und Galaxien existierte - bleiben meist ein Geheimnis, weil es so wenig davon zu sehen gibt, aber Wissenschaftler wollen es intensiv beleuchten, um Geheimnisse darüber zu erfahren das Universum ist entstanden.

"Die dunklen Zeitalter stellen unsere Ursprünge dar - als die allerersten Sterne die schweren Elemente bildeten und erschufen, aus denen wir heute bestehen", sagte der theoretische Astrophysiker Abraham Loeb, Vorsitzender der Astronomieabteilung der Harvard University.

Jetzt entwickeln die Forscher Werkzeuge, um in diese bis dahin rätselhafte Zeit zurückzuschauen. Die Astronomen schätzen, dass das Universum 13,7 Milliarden Jahre alt ist.

"Unsere Existenz ist ein Ergebnis dieser ersten Generation von Sternen, und wenn wir die dunklen Zeitalter untersuchen, erforschen wir unsere Ursprünge", Loeb, der auch Autor von "Wie entstanden die ersten Sterne und Galaxien?" (Princeton University Press, 2010), sagte ProfoundSpace.org.

Erstes Licht, dann Dunkelheit, dann wieder Licht

Vor den dunklen Zeiten des Universums war der Kosmos so heiß, dass alle Atome, die existierten, in positiv geladene Kerne und negativ geladene Elektronen aufgeteilt wurden. Diese elektrisch geladenen Ionen blockierten jegliches freies Licht.

Ungefähr 400 000 Jahre nach dem Urknall kühlte sich das Universum so weit ab, dass diese Ionen sich zu Atomen vereinigen und das erste Licht im Kosmos, das vom Urknall, endlich leuchten konnte. Was jedoch als nächstes kam, waren die dunklen Zeitalter des Universums - es gab kein anderes Licht, da die Sterne noch nicht geboren wurden. [Infografik-Tour: Geschichte und Struktur des Universums]

Aktuelle Modelle des Universums legen nahe, dass sich die ersten Galaxien etwa 100 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben, was den Beginn des Endes des dunklen Zeitalters markiert. Dieser Prozess der Stern- und Galaxienbildung setzte sich fort, bis praktisch der gesamte Wasserstoff und das Helium, die den größten Teil des Universums ausmachen, wieder ionisiert wurden, diesmal im Sternenlicht, etwa 500 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Mysterien warten darauf, gelöst zu werden

Es gibt viele Fragen, die mehr über das dunkle Zeitalter lernen könnten. Zum Beispiel, woher kamen die monströs großen schwarzen Löcher, die in den Herzen praktisch aller großen Galaxien zu sehen sind?

"Die Milchstraße hat ein schwarzes Loch, das etwa 4 Millionen Mal so groß ist wie die Masse der Sonne, und einige Galaxien haben schwarze Löcher, eine Milliarde Sonnenmassen sind groß", sagte Loeb. Dies gilt offenbar auch für antike Galaxien wie ULAS J1120 + 0641, die anscheinend nur 770 Millionen Jahre nach dem Urknall ein 2 Milliarden Mal so großes zentrales Schwarzes Loch hatten.

"Das ist nicht viel Zeit, um solche schwarzen Löcher zu bauen", sagte Loeb. "Wie haben sich diese gebildet? Was sind die Samen dieser schwarzen Löcher?"

Ein wichtiges Rätsel der dunklen Zeitalter ist außerdem, wie die dunkle Materie - das bis jetzt nicht identifizierte Material, das etwa 85 Prozent aller Materie im Universum ausmacht - die Entstehung der ersten Galaxien beeinflusst haben könnte. Diese Frage wird durch die Tatsache verstärkt, "dass wir nicht wissen, was die dunkle Materie ist", sagte Loeb.

Gegenwärtig sind die Hauptkandidaten für dunkle Materie Teilchen, die nur schwach mit regulärer Materie und miteinander interagieren. Loeb fragt sich jedoch, ob die Teilchen der Dunklen Materie tatsächlich mehr miteinander interagieren könnten, als die Forscher im Allgemeinen vermuten, wenn man das Verhalten benachbarter kleiner Galaxien bedenkt.

"Wenn wir annehmen, dass dunkle Materie nicht wechselwirkt, wenn Menschen Simulationen der Entwicklung von Galaxien wie der Milchstraße machen, sollte es viele Satellitengalaxien geben", sagte Loeb. "Wenn man sich jedoch die Satellitengalaxien der Milchstraße ansieht, finden sie viel weniger als die vorhergesagte Zahl, und die abgeleitete Verteilung der Dunklen Materie innerhalb dieser Zwerggalaxien unterscheidet sich sehr stark von dem, was für sie vorhergesagt wird. Vielleicht dunkel Materie verhält sich anders als erwartet. "

Ein anderes Rätsel ist, wie die ersten Sterne waren. In der unglaublichen Hitze und dem Druck in den Kernen dieser Sterne wurden relativ einfache Elemente wie Wasserstoff und Helium zu schwereren Elementen wie dem Kohlenstoff, auf dem das Leben, wie wir es kennen, und dem Sauerstoff, den wir atmen, geschmiedet.

"Momentan denken wir, dass die allerersten Sterne massiver waren als die Sonne - 10 mal, vielleicht sogar 100 mal massiver - und sehr kurzlebig, vielleicht leben sie nur ein paar Millionen Jahre", sagte Loeb.

Es gibt jedoch Berechnungen, die darauf hindeuten, dass sich unter Umständen kleinere Sterne gebildet haben könnten. "Diese würden in schweren Elementen sehr arm sein, und wir könnten sie heute sehen, wenn sie existieren und im Halo der Milchstraße lauern", sagte Loeb. "Waren die ersten Sterne anders als heutige Sterne? Wenn wir können, würden wir gerne sehen, dass sie es herausfinden." [Der Urknall zum Jetzt in 10 einfachen Schritten]

Geheimnisse der dunklen Zeitalter

Um die dunklen Zeitalter zu untersuchen, verfolgen Wissenschaftler, die alle verfolgen, die Jagd nach den frühesten Sternen und Galaxien. Da es Licht braucht, um zu reisen, muss das Licht, das von weit her kam, auch schon lange herkommen. Daher schauen Astronomen tief in den Weltraum, um in die Vergangenheit zu blicken.

"Es ist vergleichbar mit der Archäologie - je tiefer Sie graben, desto mehr alte Schichten entdecken Sie", sagte Loeb. "Hier graben wir im Weltraum."

Ein Schlüsselinstrument für den Blick auf die antike Vergangenheit hat in letzter Zeit viel Kontroverse über seine Verzögerungen und Kosten ausgelöst - das James Webb Space Telescope. Wenn dieses Weltraumobservatorium jemals fliegt, könnte es helfen, viel über das frühe Universum zu enthüllen, indem es das extrem schwache Licht der ersten Galaxien einfängt.

"Dieses Teleskop ist die beste Hoffnung, die wir haben, um die erste Generation von Galaxien darzustellen", sagte Loeb.

Eine andere Strategie, um mehr über das dunkle Zeitalter zu erfahren, wäre, die Narben zu betrachten, die frühe Sterne und Galaxien dem sie umgebenden Wasserstoff zugefügt hätten. Selbst kalter Wasserstoff gibt Licht in Form von Radiowellen mit einer spezifischen Wellenlänge von 21 Zentimetern ab. Indem sie sich auf diese Wellenlänge einstellten, konnten die Wissenschaftler sehen, wie sich dieser Wasserstoff im Laufe der Zeit als Reaktion auf die Sternstrahlung veränderte.

Eine Reihe von Radioteleskop-Arrays in der Entwicklung wird diese 21-Zentimeter-Radiowellen erkennen, sagte Loeb. Dazu gehören das Murchison Widefield Array in Westaustralien, das Niederfrequenz-Array (das in Europa verbreitet ist, das Primeval Structure Telescope in China, das Präzisions-Array zur Erforschung der Epoche der Reionisation in Südafrika, das Giant Metrewave Radioteleskop in Indien und der Square) Kilometre Array, das entweder in Australien oder Südafrika gebaut wird.

Wissenschaftler können auch auf frühe Galaxien blicken, indem sie mithilfe von Teleskopen wie dem Chandra X-ray Observatory der NASA nach Röntgenstrahlen aus ihren zentralen Schwarzen Löchern suchen. Zukünftige Forschung könnte auch die Wellen in Raum-Zeit erkennen, die als Gravitationswellen bekannt sind, die freigesetzt werden, wenn sich schwarze Löcher aus frühen Galaxien miteinander vermischen.

Ein Projekt, das Advanced LIGO genannt wird, wird genügend Sensitivität haben, um Gravitationswellen von Fusionen von stellaren Schwarzen Löchern in nahen Galaxien innerhalb weniger Jahre zu sehen, sagte Loeb. Ein noch ambitionierteres Projekt namens LISA, das Fusionen von supermassiven Schwarzen Löchern in fernen Galaxien entdecken könnte, war einmal in den Büchern, aber Haushaltsnöte haben es offiziell vorerst verschrottet.

"Es wird sich immer lohnen, so viel wie möglich vom Himmel zu betrachten", sagte Loeb. "Du weißt nie, was du finden könntest."

Es dauerte etwas mehr als sieben Tage, um das Universum zu erschaffen, wie wir es heute kennen. ProfoundSpace.org betrachtet die Geheimnisse des Himmels in unserer achtteiligen Serie: Die Geschichte und Zukunft des Kosmos. Dies ist Teil 6 in dieser Reihe.