Späte Entstehung der ersten Sterne

Die ersten Sterne im Kosmos sind 550 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden, hundert Millionen Jahre später als bislang angenommen. Das zeigt die genaue Vermessung der Polarisation – also der Schwingungsrichtung – der kosmischen Hintergrundstrahlung mit dem europäischen Satelliten Planck. Die an der von 2009 bis 2013 aktiven Mission beteiligten Wissenschaftler haben heute die endgültigen Messdaten und die daraus abgeleiteten Ergebnisse online veröffentlicht. Planck hat das bislang detailreichste Bild des „Echos des Urknalls“ geliefert.

„Es ist ein detailreiches Bild der Grenzen des sichtbaren Universums, das uns seine Struktur in allen Einzelheiten zeigt, als es 40 000 Mal jünger war als heute“, erläutert Simon White, Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik. „Es gibt uns sogar unsere besten Hinweise, was zu noch früheren Zeiten im Universum geschah.“ 380 000 Jahre nach dem Urknall wurde der Kosmos für elektromagnetische Strahlung durchsichtig. Aus dieser Zeit stammt die gleichmäßig aus allen Richtungen zur Erde kommende Hintergrundstrahlung. Das Strahlungsecho des Urknalls ist heute auf eine Temperatur von 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Winzige Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung liefern den Kosmologen eine Vielzahl von Informationen über unser Universum, seine Entstehung und Entwicklung.

Projektion des gesamten Himmels mit großflächigen Farb- und Linienstrukturen.
Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung

Aber Planck hat nicht nur diese Temperaturschwankungen mit bislang unerreichter Genauigkeit vermessen, sondern erstmalig auch die Polarisation der Hintergrundstrahlung. „Planck hat dieses Signal zum ersten Mal mit einer hohen Auflösung über den gesamten Himmel vermessen“, so Jan Tauber von der Europäischen Weltraumbehörde ESA. Unabhängig von den Temperaturmessungen bestätigen die Polarisationsmessungen einmal mehr das Standardmodell der Kosmologie: Das Universum ist vor 13,8 Milliarden Jahren im Urknall entstanden und dehnt sich seither aus, wobei diese Expansion sogar noch zunimmt. Nur 4,9 Prozent des Universums bestehen aus normaler Materie, 26,8 Prozent sind Dunkle Materie, 68,3 Prozent Dunkle Energie, zwei bislang für die Forscher rätselhafte Substanzen.

Die Polarisation der Hintergrundstrahlung zeigt darüber hinaus, dass 550 Millionen Jahre nach dem Urknall das „Dunkle Zeitalter“ des Kosmos endete. Die Strahlung der ersten Sterne leitete damals die sogenannte Reionisierungsepoche ein: Die Atome des im Kosmos verteilten Wasserstoffgases wurden von den Photonen der Strahlung in Protonen und Elektronen aufgespalten. Dieser Vorgang war etwa 900 Millionen Jahre nach dem Urknall vollständig abgeschlossen. Wann er genau begann, war jedoch bislang unklar. Frühere Messungen deuteten auf einen Beginn der Reionisierung 450 Millionen Jahre nach dem Urknall hin. Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Hubble zeigten im Widerspruch dazu jedoch, dass es zu dieser Zeit noch gar nicht genügend Sterne gegeben haben kann. Die Planck-Daten lösen nun dieses Dilemma und zeigen, dass die Reionisierung hundert Millionen Jahre später mit dem Aufleuchten der ersten Sterne einsetzte.

Die Planck-Messungen liefern aber nicht nur Informationen über den frühen Kosmos, sondern beispielsweise auch über die Milchstraße. So liefert die Polarisation, gemessen in neun verschiedenen Frequenzkanälen, erstmals eine genaue Karte des Staubs in der Milchstraße. Das polarisierte Licht des Staubs zeichnet die Magnetfeldlinien der Galaxis mit großer Detailtreue nach.