Überraschende Erkenntnisse über den Kosmos

Die ersten Sterne sind älter als gedacht. Und wie schnell wächst das Universum heute noch?

Die ersten Sterne im Kosmos sind offenbar noch früher entstanden als bislang angenommen. Darauf deutet die Beobachtung eines Strahlungsblitzes durch ein Forscherteam in einer Galaxie im jungen Kosmos hin. Der etwa 420 Millionen Jahre nach dem Urknall ausgelöste Blitz sei durch die Explosion eines Sterns entstanden, der zur zweiten Sternengeneration in der kosmischen Geschichte gehöre, so die Wissenschaftler in

Nature Astronomy. Demnach müsse sich die erste Sternengeneration noch deutlich früher gebildet haben.

Die Astronomen um Linhua Jiang von der Universität Peking hatten in den Jahren 2017 und 2018 intensive spektroskopische Beobachtungen der Galaxie GN-z11 durchgeführt. Dabei wollten sie durch die akkurate Bestimmung der Rotverschiebung die Entfernung und das Alter dieses Sternsystems bestimmen. Frühere Beobachtungen mit dem HubbleWeltraumteleskop hatten darauf hingedeutet, dass die Galaxie aus dem noch jungen Kosmos stammt.

Die spektroskopischen Messungen von Jiang und seinem Team am Keck-Teleskop auf Hawaii zeigten nun, dass GN-z11 zu den am weitesten entfernten Galaxien gehört, die bislang bekannt sind: Ihr Licht benötigt 13,37 Milliarden Jahre, um zur Erde zu gelangen. Es handelt sich also zugleich um einen Blick in die Frühzeit des Kosmos, denn die Astronomen sehen diese Galaxie so, wie sie vor 13,37 Milliarden Jahren aussah – gerade einmal 420 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Die größte Überraschung für Jiang und seine Kollegen war jedoch, dass sie am 7. April 2017 bei ihren Beobachtungen einen lediglich 245 Sekunden andauernden Strahlungsblitz im Infrarotbereich registrierten. Unter Berücksichtigung der Rotverschiebung muss es sich dabei ursprünglich um einen energiereichen Blitz ultravioletter Strahlung gehandelt haben. Solche Blitze kennen Astronomen bereits als Begleiterscheinung von Gammastrahlungsausbrüchen – also hochenergetischen Strahlungsschauern, ausgelöst durch Sternexplosionen.

Der bisherige Rekord für solche Strahlungsblitze lag bei einer Rotverschiebung von 9,4. Bei dem im April 2017 erfassten Strahlungsblitz beträgt die Rotverschiebung fast 11 (10,957). Die Beobachtungen von Jiang und Kollegen zeigen nicht nur, dass es solche Explosionen früher als bisher gedacht in der kosmischen Geschichte gab, sondern auf statistischer Basis auch, dass diese Blitze in jener Epoche sehr viel häufiger aufgetreten sind als bislang angenommen. Mehr noch: Zu Sternexplosionen, die zu Gamma- und UV-Blitzen führen, kommt es nach den theoretischen Modellen der Astronomen durch den Kollaps von Sternen, die bereits zur zweiten Generation der Sterne im Kosmos gehören. Denn sie enthalten schwere Elemente, die sich nur in einer noch früheren Sternengeneration gebildet haben können. Die ersten Sterne müssen also bereits in einer noch früheren Epoche entstanden sein.

Neues gibt es zur heutigen Gestalt des Kosmos – durch die Beobachtung kollidierender Neutronensterne in fernen Galaxien. Die nämlich kann Aufschluss über die Rate geben, mit der das Universum sich ausdehnt. Das konnte jetzt ein internationales Forscherteam um Tim Dietrich von der Universität Potsdam zeigen. Die Astrophysiker kombinierten dazu Messungen von Gravitationswellen, Licht, Radiound Röntgenstrahlung mit theoretischen Ansätzen der Kernphysik. Das Ergebnis ist eine Überraschung: Der ermittelte Wert stimmt nicht mit Messungen der Hubble-Konstante an explodierenden Sternen überein, so der Bericht in Science.

Die Hubble-Konstante ist eine zentrale Größe in der Kosmologie: Sie beschreibt, wie schnell im heutigen Kosmos die Abstände zwischen den Galaxien zunehmen. Zwar gibt es inzwischen eine ganze Reihe unterschiedlicher Verfahren zur Bestimmung dieser Rate, die jedes für sich recht genaue Ergebnisse liefern – doch diese Resultate lassen sich im Rahmen ihrer jeweiligen Fehlergrenzen nicht in Einklang bringen.

Messungen anhand der kosmischen Hintergrundstrahlung, also des Strahlungsechos des Urknalls, liefern einen Wert um 68, während Beobachtungen an Supernovae einen deutlich höheren Wert um 74 liefern. Die Zahlenwerte geben an, um wie viele Kilometer der Abstand zweier Objekte, die 3,26 Millionen Lichtjahre (ein Megaparsec) auseinander liegen, zunimmt: pro Sekunde! Die Diskrepanz zwischen den Messungen im jungen Universum und im lokalen Kosmos bereitet Himmelsforschern seit Jahren Kopfzerbrechen.

Ein weiteres, vielversprechendes Verfahren könnte die Bestimmung der Hubble-Konstanten aus der Helligkeit sogenannter Kilonovae sein – also aus der explosiven Verschmelzung von zwei Neutronensternen. Dazu jedoch müsste die tatsächliche Helligkeit dieser kosmischen Katastrophen bekannt sein. Sie ergibt sich aus dem Verhalten der extrem dichten Materie im Inneren der Neutronensterne.

Physiker beschreiben dieses Verhalten mit der sogenannten Zustandsgleichung, die den Zusammenhang zwischen Volumen, Druck und Temperatur der Materie darstellt. Doch bislang ist diese Zustandsgleichung nicht genau beUnd kannt. Denn die Dichte in Neutronensternen ist höher als in Atomkernen und übersteigt damit alles, was sich in irdischen Labors erzeugen lässt. Da also Experimente nicht möglich sind, bleibt nur die Möglichkeit, aus der Beobachtung von Neutronensternen Rückschlüsse auf die Zustandsgleichung zu ziehen.

Dietrich hat genau das mit seinen Kollegen getan und gesteht: „Von dem Ergebnis war ich ehrlich überrascht.“Denn der Wert von 66 stimmt zwar gut mit der aus der Hintergrundstrahlung ermittelten Hubble-Konstanten überein. „Die von uns verwendeten Neutronenstern-Kollisionen fanden aber im lokalen Kosmos statt, deshalb hatten wir mit einem höheren Wert wie bei den Supernova-Messungen gerechnet.“Noch sei es aber verfrüht, andere lokale Messungen zu verwerfen. „Die Fehler unseres Verfahrens sind dazu noch zu groß“, so Dietrich. Die Diskrepanz zwischen hohem und niedrigem Wert der Expansionsrate des Kosmos konnten die Forscher also noch nicht auflösen. Dazu müsse man in Zukunft das Verfahren auf viele weitere Kollisionen von Neutronensternen anwenden.