Wie warm war das Universum 880 Millionen Jahre nach dem Urknall?

Vor 13,8 Milliarden Jahren war das All heißer als heiß. Dann hat es sich ausgedehnt und dabei abgekühlt – auf 2,725 Kelvin heute, die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung. Vom Moment der Freisetzung der kosmischen Hintergrundstrahlung bis heute hat sich das Universum um einen Faktor von rund 1100 ausgedehnt. Die kosmische Hintergrundstrahlung, die ursprünglich eine Temperatur von etwa 3000 Kelvin hatte und deren Wärmestrahlung damit damals so ähnlich aussah wie das Licht einer Halogenlampe, kühlte um denselben Faktor ab. Natürlich war das gesamte Universum nie überall gleich warm. Das ermöglicht es Forschern heute, so unglaublich es klingt, dem Universum in seiner Jugend die Temperatur zu messen. Im Wissenschaftsmagazin Nature beschreibt eine internationale Gruppe von Astrophysikern, wie ihnen das gelungen ist. Die Wissenschaftler nutzten das NOEMA-Observatorium (Northern Extended Millimeter Array) in den französischen Alpen, das leistungsstärkste Radioteleskop der nördlichen Hemisphäre. Damit beobachteten sie HFLS3, eine massive Starburst-Galaxie – eine Galaxie also, die ihre Sterne extrem schnell bildet. Weil HFLS3 so weit von der Erde entfernt ist, brauchte ihr Licht derart lange bis zu uns, dass wir sie 880 Millionen Jahre nach dem Urknall beobachten. In einer Zeit also, als das All noch weit jünger und damit heißer war.

Die Astronomen entdeckten in der Galaxie eine Wolke aus kaltem Wasserdampf, der einen Schatten auf die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung wirft. Der Schatten entsteht, weil das kältere Wasser die wärmere Mikrowellenstrahlung auf ihrem Weg zur Erde absorbiert. Wie dunkel der Fleck ist, den der Schatten hinterlässt, offenbart den Temperaturunterschied zwischen Hintergrundstrahlung und Wasserdampf. Da sich die Temperatur des Wassers aus anderen beobachteten Eigenschaften der Starburst-Galaxie bestimmen lässt, konnten die Forscher ausrechnen, wie warm die Reliktstrahlung des Urknalls damals gewesen sein muss. Sie kamen auf einen Wert zwischen 16,4 und 30,2 Kelvin, also etwa siebenmal wärmer als im heutigen Universum. Das entspricht den Vorhersagen der aktuellen kosmologischen Modelle von 20 Kelvin und bestätigt sie damit. In unseren kosmologischen Modellen ist die Auswirkung der kosmischen Expansion auf die Temperatur sehr direkt: In der Zeit, in der sich die Abstände zwischen entfernten Galaxien aufgrund der kosmischen Expansion um den Faktor 2 vergrößert haben, sinkt die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung auf die Hälfte des ursprünglichen Werts.

„Neben dem Nachweis der Abkühlung zeigt uns diese Entdeckung auch, dass das Universum in seinen Anfängen einige ganz bestimmte physikalische Eigenschaften hatte, die heute nicht mehr existieren“, sagt Erstautor Professor Dr. Dominik Riechers vom Institut für Astrophysik der Universität zu Köln. „Schon sehr früh, etwa 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall, war der kosmische Mikrowellenhintergrund zu kalt, um diesen Effekt beobachten zu können. Wir haben also ein einzigartiges Beobachtungsfenster, das sich nur im sehr jungen Universum eröffnet.“ Anders gesagt: Wenn eine Galaxie mit ansonsten identischen Eigenschaften wie HFLS3 heute existieren würde, wäre der Wasserschatten nicht zu beobachten, weil der erforderliche Temperaturkontrast nicht mehr vorhanden wäre.

„Dieser wichtige Meilenstein bestätigt nicht nur den erwarteten Abkühlungstrend für eine viel frühere Epoche, als bisher gemessen werden konnte, sondern könnte auch direkte Auswirkungen auf die Natur der schwer fassbaren dunklen Energie haben“, sagt Mitautor Dr. Axel Weiss vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn. In der Astrophysik wird angenommen, dass die dunkle Energie für die beschleunigte Ausdehnung des Universums in den letzten Milliarden Jahren verantwortlich ist, aber ihre Eigenschaften sind nach wie vor schlecht verstanden, da sie mit den derzeit verfügbaren Teleskopen und Instrumenten nicht direkt beobachtet werden kann. Ihre Eigenschaften beeinflussen jedoch die Entwicklung der kosmischen Expansion und damit die Abkühlungsrate des Universums im Laufe der kosmischen Zeit. Auf der Grundlage dieses Experiments bleiben die Eigenschaften der dunklen Energie – vorerst – konsistent mit denen von Einsteins „kosmologischer Konstante“. „Das heißt, wir haben ein expandierendes Universum, in dem sich die Dichte der dunklen Energie nicht ändert“, erklärt Weiss.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund (links) wurde 380.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt und dient als Hintergrund für alle Galaxien im Universum. Die Starburst-Galaxie HFLS3 ist in eine große Wolke aus kaltem Wasserdampf eingebettet (Mitte, blau markiert) und wurde 880 Millionen Jahre nach dem Urknall beobachtet. Aufgrund seiner niedrigen Temperatur wirft das Wasser einen dunklen Schatten auf den Mikrowellenhintergrund (Vergrößerung links), was einem Kontrast entspricht, der etwa 10.000 Mal stärker ist als seine eigenen Fluktuationen von nur 0,001 % (helle/dunkle Flecken). (Bild: ESA und die Planck-Kollaboration; Zoom-in-Panel: Dominik Riechers, Universität zu Köln; Bildkomposition: Martina Markus, Universität zu Köln)
Kosmische Hintergrundstrahlung; als Ausschnitt der “Schatten” der Wasserdampfwolke, der die Temperaturbestimmung nur eine Milliarde Jahre nach dem Urknall ermöglichte (Bild: MPIA-Grafikabteilung unter Benutzung von Daten der Planck-Mission der ESA; kleines Bild: D. Riechers, Universität zu Köln)

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.