Warum reicht es nicht zu sagen: "Lass es Licht sein"

Beobachten Sie die Schönheit des Lebens. Schau dir die Sterne an und wie du mit ihnen rennst.
- Marcus Aurelius

Stellen Sie sich den Nachthimmel vor, den Sie kennen. Weg von den Städten in einer mondlosen Nacht an den dunkelsten Orten, die Sie je gesehen haben. Als ob du dich ins Gras legst und in den Himmel schaust. Du siehst auf, die Luft ist kühl und der Himmel klar: Es sind keine Wolken sichtbar.

Was wirst du sehen?

Planeten, Sterne, hell und dunkel und sogar die Milchstraße. Aber das vielleicht Erstaunlichste am Nachthimmel ist nicht das Vorhandensein einiger Streulichter, sondern dass der Himmel in fast jede Richtung dunkel ist.

Wenn Sie darüber nachdenken, dann macht es wenig Sinn, was passiert.

Wenn es im Universum sehr, sehr viele Sterne gäbe - Lichtquellen in alle Richtungen - würde man erwarten, dass Ihre Sichtlinie, wo immer Sie hinschauen, auf einen Stern trifft.

Und wenn ja, würden Sie keine Dunkelheit bemerken. Jeder Punkt würde mit Licht gefüllt sein, egal wie weit dieser Stern, diese Galaxie oder eine andere Lichtquelle entfernt ist.

Dies war eines der größten Paradoxe des 19. Jahrhunderts: das Olbers-Paradoxon, das zeigte, dass die Idee eines unendlichen Universums mit einer unendlichen Anzahl von Sternen im gesamten Kosmos nicht mit der Dunkelheit des Nachthimmels vereinbar war.

Die Lösung für dieses Paradoxon ist natürlich, dass wir, wenn wir die entfernten Teile des Universums betrachten, in die Vergangenheit schauen. Da das Universum in einem heißen, dichten und gleichmäßigeren frühen Zustand existierte, gab es einen Moment, vor dem es keine Sterne im Universum gab, da die Schwerkraft Zeit brauchte, um das ursprüngliche Gas zuerst in Sternen zu sammeln. Wenn Sie eine ausreichend große Entfernung betrachten, ist kein einziger Stern sichtbar.

Nach dem Urknall war das Universum heiß, dicht und homogen und es dehnte sich auch aus und kühlte ab. Im Alter von 380.000 Jahren hatte es sich so weit abgekühlt, dass sich zum ersten Mal neutrale Atome bildeten. Aber um etwas zu sehen, gibt es zwei Hindernisse:
1. Es gibt nichts zu betrachten, bis wir Lichtquellen erschaffen.
2. Und auch danach muss das Universum transparent werden.

Und obwohl diese beiden Probleme - die Bildung der ersten Sterne und die Erlangung der Transparenz des Universums - normalerweise unter dem Namen "dunkle Jahrhunderte" kombiniert werden, sind dies zwei getrennte Probleme, die das Universum lösen muss.

Erstens haben Sie vor der Bildung der ersten Sterne einfach nichts zu sehen. Und obwohl das Universum anfangs fast homogen war, gab es kleine Unvollkommenheiten, zum Beispiel Bereiche, in denen die Materie etwas überdurchschnittlich war. Mit der Zeit zog die Schwerkraft immer mehr Materie in Bereiche mit erhöhter Dichte und sie wuchsen zu Materieklumpen.

Nach zig Milliarden Jahren sind diese Klumpen so groß geworden, dass sie unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrechen. Und wenn die Kerne dieser Atom- und Molekülklumpen ausreichend verdichtet sind, beginnt endlich der Prozess der Kernsynthese - Wasserstoff verbrennen und in Helium verwandeln -!

Diese Orte der Kernfusion werden zu Kernen der allerersten Sterne im Universum, die hell brennen und das erste sichtbare Licht aus einer der frühen Perioden des Urknalls emittieren.

Dies geschieht nur 50 Millionen Jahre nach der Geburt des Universums, was für die Sterne eine sehr kurze Lücke zu sein scheint. Aber es gibt ein Problem: Keiner dieser Sterne ist für uns sichtbar!

Natürlich strahlen diese Sterne Licht aus, genau wie die Sterne hinter dem „dunklen Nebel“ oben, Barnard 68. Es sieht so dunkel aus, weil es das Licht der Sterne blockiert. Warum? Weil die darin vorhandenen Atome und Moleküle so groß sind, dass sie sichtbares Licht absorbieren können.

Obwohl einzelne Atome bestimmte Übergänge haben, an denen sie Licht absorbieren können und in listigen Konfigurationen gebunden sind, können sie das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts blockieren. Es war eine solche Undurchsichtigkeit, die sich im Universum während des Auftretens der ersten Sterne bildete: Licht wurde erzeugt, aber es konnte unsere Augen nicht erreichen.

Und was machen wir?

Wir müssen diese Atome ionisieren. Genauer gesagt, reionisieren, denn bevor sie bereits ionisiert waren: bevor sie neutral wurden.

Dies ist jedoch kein schneller Prozess: Es müssen Milliarden von Milliarden von Sternen erscheinen, ionisierende ultraviolette Strahlung emittieren und mit mehr als 99% der neutralen Atome im Universum kollidieren. Dies ist ein schrittweiser Prozess, dessen Abschluss etwa 550 Millionen Jahre dauert!

Bis vor kurzem glaubte man, dass die Reionisierung - die letzte Phase des Prozesses zur Erlangung des Universums der Transparenz - 450 Millionen Jahre nach dem Urknall stattfand. Dieser zusätzliche Faktor von 100 Millionen Jahren wurde jedoch durch jüngste Beobachtungen des Planck-Satelliten bestimmt.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich die frühesten Sterne des Universums 100 Millionen Jahre später gebildet haben, als wir dachten - wie einige Autoren sich vorstellen.

Dies bedeutet, dass sich die ersten Sterne viel früher gebildet haben, als wir sie sehen konnten, und dass es nur wenige von ihnen gab - und sie brannten nicht lange genug und waren nicht heiß genug -, um das Universum zu reionisieren und es früher als 100 Millionen Jahre später transparent zu machen .

Es reicht nicht aus, nur „Lass es Licht sein“ zu sagen, um die ersten Sterne zu sehen: Dieses Licht muss sich im Raum frei bewegen können!

Sie sind im sichtbaren Spektrum nicht zu sehen. Es spielt keine Rolle, wie gut das Teleskop für sie ist. Hubble, wie lange er in diese Teile des Himmels blickt, wird er niemals so weit zurückblicken, um die ersten Sterne zu sehen, denn dann war das Universum für sichtbares Licht undurchsichtig.

Aber es gibt Hoffnung, und das James Webb-Weltraumteleskop wird das Potenzial haben, diesen Traum Wirklichkeit werden zu lassen.

Bei längeren Wellen können diese staubigen Strukturen von Atomen und Molekülen für sie transparent sein. Und selbst wenn Hubble diese Sterne nicht sieht, kann James Webb, der im Infrarotbereich (und ziemlich weit entfernt) blickt, in die Vergangenheit schauen, bis das Universum für sichtbares Licht undurchsichtig war.

Mit anderen Worten, in nur wenigen Jahren können wir möglicherweise die ersten Sterne des Universums untersuchen und nicht nur das, was Hunderte Millionen Jahre später geschah, als das Universum für sichtbares Licht transparent wurde. Bisher mögen die ersten Sterne des Universums unsichtbar sein, aber das Problem liegt in unseren Augen und nicht im Licht!

Sind die ersten Sterne des Universums unsichtbar?

Warum reicht es nicht zu sagen: "Lass es Licht sein"

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