Und es ward Quasar - wie dem Kosmos ein Licht aufging

Die Spiralgalaxie M83

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Die Spiralgalaxie M83 gehört heute zu den prächtigsten Galaxien am Himmel. Wann und wie sind die ersten großen Galaxien im All entstanden?

Der Kosmos begann nach heutiger Theorie mit dem Urknall. Der ganze junge Kosmos war extrem dicht und heiß - aber schon nach etwa einer Million Jahren war im All die Finsternis eingekehrt. Materie und Strahlung hatten sich stark verdünnt und abgekühlt. Erst viel, viel später zündeten die ersten Sterne und machten wieder im Licht im Kosmos.

Wer diese Frühphase des Kosmos beobachten will, muß ganz weit hinaus blicken. Der tiefste Blick ins All überhaupt gelang einem Team um Xiaohui Fan vom Institute for Advanced Study in Princeton. Fan ist Mitglied des "Sloan Digital Sky Survey". Seit dem Jahr 2000 läuft diese umfangreichste Inventur des Kosmos, die es je gegeben hat. Das Sloan-Projekt vermißt mehr als eine Million Galaxien, bestimmt Entfernung, Struktur und chemische Zusammensetzung - weil systematisch ganz grundlegende Daten gewonnen werden, sprechen manche Forscher beim "Sloan Survey" vom "Human-Genom-Projekt des Universums". Am "Sloan Survey" sind mehr als 200 Experten aus zehn Einrichtungen in drei Kontinenten beteiligt - darunter auch Forscherinnen und Forscher vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

Xiaohui Fan hat nun mit seinem Team bei dieser aufwendigen Himmelsdurchmusterung einen mehr als 14 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar entdeckt, einen hellen Galaxienkern. Die Forscher sehen dieses Rekord-Objekt also so, wie es vor 14 Milliarden Jahren war:

"Das Interessanteste an diesem Quasar ist, daß wir das Ende des Dunklen Zeitalters sehen, also die Zeit, zu der das Universum begann, wieder hell zu werden. Wir sehen im Licht des Quasars, daß sich das Universum zu dieser Zeit ändert - wir sind dem Ende dieses Zeitalters sehr nah."

Als sich das Licht dieses Quasars auf den Weg gemacht hat, gab es noch viel kalten, so genannten neutralen Wasserstoff im All. Heute ist das dünne Gas, das den Raum zwischen den Galaxien ausfüllt, extrem heiß - ionisiert, wie die Fachleute sagen: Die vielen Sterne im All haben das Gas geradezu aufgekocht. Aber damals, vor 14 Milliarden Jahren, gab es erst sehr wenige Sterne - der Kosmos war noch recht kühl.

Das derzeit entfernteste bekannte Objekt im All

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Das derzeit entfernteste bekannte Objekt im All: Dieser Quasar ist mehr als 14 Milliarden Lichtjahre entfernt - er leuchtet im noch nicht einmal eine Milliarde Jahre alten Universum.

Zerlegen die Astronomen das Licht des Quasars in seine Farben, in sein Spektrum, dann ist an manchen Stellen nichts zu sehen: Die kalten Wasserstoffatome haben einen Teil des Quasarlichts verschluckt, freut sich Xiahoui Fan:

"Wir sehen jetzt erstmals, daß es damals viele Wasserstoffatome gab. Das zeigt ganz klar, daß wir bei diesem Quasar bis zurück in die Phase des Kosmos blicken, als sich die ersten Galaxien und Quasare gebildet haben."

Die ersten Sterne waren bereits entstanden - aber es gab auch noch kühles Gas im All. Endlich sehen die Astronomen alle Phasen des kosmischen Wechselbades: Nach dem Urknall zunächst extrem heiß und strahlend hell, dann kalt und buchstäblich nachtschwarz, heute wieder heiß und voller Sterne. Die Forscherinnen und Forscher staunen allerdings darüber, daß es das All offenbar recht eilig hatte, die zwischenzeitliche Dunkelheit wieder zu vertreiben:

"Das All war damals erst etwa 800 Millionen Jahre alt. Für Theoretiker ist es schon eine recht harte Nuß, wie sich der jetzt entdeckte Quasar und das Schwarze Loch in ihm so schnell bilden konnten. Das ist schwierig, aber nicht unmöglich. Mit diesen weit entfernten Quasaren können wir sehr gut unsere Modelle testen, wie die erste Generation von Schwarzen Löchern und Galaxien im Universum in so kurzer Zeit entstanden ist."

Was Xiaohui Fan und sein Team beim Wasserstoff beobachtet haben, verfolgen andere Astronomen bei einem anderen Element: Helium. Zum Glück für die Forscher ist Helium sehr viel "hitzebeständiger", d.h. es wird erst von sehr viel intensiverer Strahlung ionisiert, also gleichsam aufgekocht, als Wasserstoff. Das Strahlungsfeld im Weltall mußte also erst sehr viel stärker werden, bis auch das Helium komplett aufgeheizt war. Dies geschah in der kosmischen Geschichte deutlich später als beim Wasserstoff - entsprechend können die Astronomen Glück haben und Bereiche kühlen Heliums in sehr viel geringeren Entfernungen entdecken als Bereich kühlen Wasserstoffs.

Ob das All eher heiß oder kalt war, sieht Michael Shull, Astronom an der Universität von Colorado in Boulder, im Licht eines Quasars, eines hellen Galaxienkerns. Im Licht des 12 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasars achtet Michael Shull auf ein "Thermometer" der besonderen Art:

"Wir haben uns eine Absorptionslinie von Helium genau angesehen. Helium kann das Licht des weit entfernten Quasars nur verschlucken, wenn es noch relativ kalt ist. Heute ist das All sehr heiß und es gibt keine Helium-Absorption. Aber wir haben gesehen, daß in etwa zwölf Milliarden Lichtjahren Entfernung die Helium-Absorption plötzlich sehr stark wird."

Helium ist nach Wasserstoff das häufigste Element - das Universum besteht zu gut einem Viertel aus Helium! Heißes Helium hinterläßt kaum Spuren, kühles Gas dagegen verschluckt viel Licht. Das Licht des Quasars hat auf seiner langen Reise zur Erde zahllose Wolken aus Wasserstoff und Helium zwischen den Galaxien durchquert. Der Quasar durchleuchtet geradezu das All - denn jede Wolke prägt dem Licht ein paar Absorptionslinien auf, gleichsam den Fingerabdruck der dort vorhandenen chemischen Elemente.

Der Quasar SDSS 1044-0125

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Der Quasar SDSS 1044-0125 gehört mit einer Entfernung von mehr als 14 Milliarden Lichtjahren zu den entferntesten bekannten Objekten. Die Lichtteilchen, die sich auf diesem Bild verewigt haben, haben sich auf den Weg gemacht, als der Kosmos gerade einmal 800 Mio Jahre alt war. Von Sonne und Erde war da noch lange nicht die Rede!

Im Licht des Quasars sind die Spuren dieser Wolken aufgereiht nach der Entfernung - und so sehen die Astronomen noch heute, ob das Universum vor zwölf, zehn oder fünf Milliarden Jahren eher kühl oder heiß war.

"Wir haben diesen Quasar mehr als sechs Tage lang mit dem US-Satelliten FUSE beobachtet, mit dem Hubble-Weltraumteleskop und auch mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile. Nach diesen Daten wurde das Helium vor gut zwölf Milliarden Jahren wieder aufgeheizt oder ionisiert. Bei Wasserstoff ist das bereits vor vierzehn Milliarden Jahren geschehen."

Wasserstoff ist recht empfindlich und "zerkocht" bereits bei deutlichen geringeren Temperaturen als Helium. Ob Wasserstoff oder Helium - solche Beobachtungen lassen bemerkenswerte Schlüsse auf den Zustand des jugendlichen Kosmos zu.

"Was für Strahlungsquellen sind da angegangen, die das Helium aufgeheizt haben? Wir sprechen vom ersten Licht im Universum. Natürlich gab es das erste Licht im All schon viel früher. Aber die ersten Quasare und massereichen Sterne sind für dieses Aufheizen sehr wichtig, weil sie äußerst energiereiche Strahlung aussenden. Wir meinen, daß vor etwa 12 Milliarden Jahren die ersten heißen Sterne in jungen Galaxien entstanden sind. Deren Ultraviolett-Strahlung hat zusammen mit der Strahlung der Quasare ziemlich schnell weite Teile des Gases im Universum ionisiert, also stark aufgeheizt."

Der Kosmos hat nach dem kurzen dunklen, weil noch sternlosen Zeitalter gleich richtig Licht gemacht: Schon eine Milliarde Jahre nach dem Urknall war es so hell und heiß im All, daß der Wasserstoff komplett ionisiert war - und weitere etwa zwei Milliarden Jahre später gab es genügend energiereiche Strahlungsquellen, um selbst Helium zu "zerkochen". Im Licht entfernter Quasare sehen die Astronomen noch heute dieses kosmische Wechselbad!