Fragen Sie Ethan: Warum dauerte das dunkle Zeitalter des Universums so lange?

Zur Zeit des Urknalls war das Universum mit Materie und Strahlung gefüllt, aber es waren keine Sterne darin. Bei Expansion und Abkühlung bildeten sich Protonen und Neutronen im ersten Bruchteil einer Sekunde, Atomkerne in den ersten drei bis vier Minuten und neutrale Atome in den ersten 380.000 Jahren. Nach weiteren 50-100 Millionen Jahren bildeten sich die ersten Sterne. Aber das Universum blieb dunkel, und Beobachter, wenn es solche gab, konnten bis zu dem Moment, der ungefähr 550 Millionen Jahre nach dem Urknall kam, nichts sehen. Warum ist das passiert? Unser Leser interessiert sich für:

Was mich interessiert ist, warum das Dunkle Zeitalter Hunderte von Millionen von Jahren gedauert hat? Es schien mir, dass sie mindestens eine Größenordnung weniger hätten aushalten sollen.

Die Bildung von Sternen und Galaxien ist ein großer Schritt, um Licht zu erzeugen, aber dies reicht nicht aus, um das dunkle Zeitalter zu beenden. Und hier ist warum.


Das frühe Universum war mit Materie und Strahlung gefüllt und so heiß und dicht, dass es verhinderte, dass im ersten Sekundenbruchteil stabile Protonen und Neutronen auftraten. Nach ihrem Erscheinen und der Vernichtung der Antimaterie befanden wir uns mit einem Meer aus Materie und Strahlung an den Händen und schnüffelten hier und da mit Lichtgeschwindigkeit.

Stellen Sie sich das Universum so vor, wie es nur wenige Minuten nach der Geburt war: vor der Bildung neutraler Atome. Der Raum ist mit Protonen, Lichtkernen, Elektronen, Neutrinos und Strahlung gefüllt. In diesem frühen Stadium passieren drei wichtige Dinge:

1. Das Universum ist in Bezug auf die Materiemenge überall sehr homogen, und die dichtesten Bereiche unterscheiden sich um einige Hundertstel eines Bruchteils der Dichte von den am wenigsten dichten.
2. Die Schwerkraft zieht die Materie aktiv zusammen, und in dichteren Regionen gibt es eine zusätzliche Anziehungskraft.
3. Strahlung, größtenteils in Form von Photonen, drückt Materie weg und widersteht der Schwerkraft.

Solange wir ausreichend energetische Strahlung haben, verhindert dies die Bildung stabiler neutraler Atome. Erst wenn die Expansion des Universums die Strahlung ausreichend stark abkühlt, hören neutrale Atome auf, sofort reionisiert zu werden.


Im heißen frühen Universum streuen Photonen vor der Bildung neutraler Atome mit sehr hoher Geschwindigkeit von Elektronen (und in geringerem Maße von Protonen) und übertragen dabei einen Impuls. Nach der Bildung neutraler Atome bewegen sich Photonen einfach in einer geraden Linie.

Danach, 380.000 Jahre nach dem Erscheinen des Universums, breitet sich diese Strahlung (größtenteils Photonen) einfach frei in dieselbe Richtung aus, in die sie zuletzt gegangen ist, durch die jetzt neutrale Materie. 13,8 Milliarden Jahre später beobachten wir dieses verbleibende Leuchten des Urknalls in Form von Reliktstrahlung. Heute ist dies Hintergrundmikrowellenstrahlung, da die Wellenlängen aufgrund der Expansion des Universums gedehnt werden. Noch wichtiger ist, dass es eine Verteilung von Schwankungen in Form von heißen und kalten Stellen gibt, die mehr und weniger dichten Teilen des Universums entsprechen.


Die dichteren Bereiche, die durchschnittliche Dichte und die weniger dichten Bereiche, die existierten, als das Universum 380.000 Jahre alt war, entsprechen kalten, mittleren und heißen Stellen von CMB.

Nach der Bildung neutraler Atome tritt der Gravitationskollaps viel leichter auf, da Photonen leicht mit freien Elektronen, aber schlecht mit neutralen Atomen interagieren. Und wenn die Photonen auf immer niedrigere Energien abgekühlt werden, nimmt die Bedeutung der Materie für das Universum zu, sodass das Gravitationswachstum beginnt. Die Schwerkraft benötigt ungefähr 50-100 Ma, um eine Menge Materie zusammenzuziehen, und das Gas braucht genug, um sich abzukühlen, damit der Kollaps beginnen kann, wenn sich die ersten Sterne bilden. Danach wird die Kernfusion gestartet und die ersten schweren Elemente im Universum erscheinen.


Im Laufe der Zeit erscheinen großräumige Strukturen des Universums. winzige Defekte wachsen und verwandeln sich in die ersten Sterne und Galaxien, verschmelzen dann zu großen, modernen Galaxien, die wir heute beobachten. Wenn wir große Entfernungen betrachten, sehen wir ein jüngeres Universum, ähnlich der Vergangenheit unserer lokalen Site.

Aber selbst mit diesen Sternen befindet sich das Universum im dunklen Zeitalter. Wessen Schuld ist es? Wegen all dieser neutralen Atome, die im ganzen Universum verteilt sind. Sie liegen in der Größenordnung von 10 ⁸⁰ , und obwohl diese nach dem Urknall verbleibende energiearme Photonen transparent ist, ist sie für von Sternen emittierte hochenergetische Photonen undurchsichtig. Deshalb ist es unmöglich, Sterne im Zentrum der Galaxie im sichtbaren Licht zu sehen, aber bei längeren Wellen (z. B. Infrarot) können Sie direkt durch neutrales Gas und Staub sehen.


Vier verschiedene Arten der Milchstraße bei vier verschiedenen Wellenlängen; Oben sind lang (Submillimeter), dann fernes Infrarot, nahes Infrarot und sichtbares Licht. Sterne und Staubpfade im Vordergrund blockieren das Zentrum der Galaxie im sichtbaren Licht von uns.

Damit das Universum für das Sternenlicht transparent wird, müssen diese neutralen Atome ionisiert werden. Sie waren bereits einmal ionisiert: Bevor das Universum 380.000 Jahre alt war, nennen wir den Prozess ihrer Reionisierung Reionisierung . Und nur wenn viele Sterne gebildet und viele hochenergetische ultraviolette Photonen emittiert werden, kann dieser Reionisierungsprozess abgeschlossen und das dunkle Zeitalter beendet werden. Obwohl die ersten Sterne bereits 50 bis 100 Millionen Jahre nach dem Urknall erscheinen könnten, zeigen unsere detaillierten Beobachtungen, dass die Reionisierung erst endet, wenn das Universum 550 Millionen Jahre alt ist.


Ein Diagramm der Geschichte des Universums mit Schwerpunkt auf der Reionisierung, die wirklich erst nach der Bildung der ersten Sterne und Galaxien stattfand. Zuvor war das Universum mit neutralen Atomen gefüllt, die das Licht blockieren. Obwohl der größte Teil des Universums erst im Alter von 550 Millionen Jahren reionisiert wurde, wurden einige der glücklichsten Orte zuvor reionisiert

Wie kam es, dass die frühesten Galaxien, die wir sehen, auftauchten, als das Universum nur 400 Millionen Jahre alt war? Und wie kann das James Webb-Teleskop noch weiter in die Vergangenheit schauen? Hierbei spielen zwei Faktoren eine Rolle:

1) Die Reionisierung ist nicht homogen. Das Universum ist voller Klumpen, Unvollkommenheiten und Heterogenitäten. Das ist gut, es erlaubt Sternen, Galaxien, Planeten und auch Menschen, sich zu bilden. Es bedeutet aber auch, dass einige Bereiche des Raums und der Richtung am Himmel vor anderen vollständig reionisiert wurden. Die am weitesten bekannte uns bekannte Galaxie, GN-z11 , ist für ein so junges Alter eine helle und schöne Galaxie, befindet sich aber auch in der Richtung, in der das Universum fast vollständig ionisiert war. Es fiel so erfolgreich zusammen, dass dies 150 Millionen Jahre vor der „durchschnittlichen“ Reionisierung geschah.


Nur weil sich diese entfernte Galaxie GN-z11 in einer Region befindet, in der die intergalaktische Umgebung größtenteils reionisiert ist, konnte Hubble uns dies heute zeigen. James Webb wird noch viel weiter gehen.

2) Diese neutralen Atome sind für lange Wellenlängen transparent. Obwohl das Universum in jenen frühen Tagen für sichtbares und ultraviolettes Licht undurchsichtig war, war es für längere Wellen transparent. Zum Beispiel ist bekannt, dass die „ Säulen der Schöpfung “ für sichtbares Licht undurchsichtig sind, aber wenn Sie sie im Infrarot betrachten, können Sie die Sterne in ihnen leicht sehen.


Links - eine Ansicht im sichtbaren Licht, rechts - im Infrarot, auf dasselbe Objekt: Säulen der Schöpfung. Beobachten Sie, wie viel Gas und Staub für Infrarotstrahlung transparenter sind und wie sich dies auf den Hintergrund und die inneren Sterne auswirkt.

Das James Webb-Teleskop wurde nicht nur zum Hauptinfrarotobservatorium, sondern wurde speziell für die Beobachtung von Infrarotlicht entwickelt, wenn es von frühen Sternen emittiert wurde. Wenn er sich weiter auf Wellenlängen von 30 Mikrometern in der Mitte des Infrarotbereichs ausdehnt, kann er Objekte beobachten, die im Mittelalter selbst existierten.


Wenn wir die sich ständig erweiternden Weiten des Universums untersuchen, erhalten wir nicht nur Empfindlichkeit gegenüber dunkleren Objekten, sondern auch gegenüber solchen, die durch neutrale Atome „blockiert“ werden. Aber mit Infrarotobservatorien können wir sie auch sehen.

Das Universum war so lange dunkel, seit die Atome in ihm so lange neutral waren. Sogar das zu 98% reionisierte Universum bleibt für sichtbares Licht undurchsichtig, und es dauerte ungefähr 500 Millionen Jahre, bis das Sternenlicht alle Atome vollständig ionisiert und das Universum transparent gemacht hatte. Am Ende des dunklen Zeitalters können wir alles bei allen Wellenlängen des Lichts sehen, aber vorher müssen wir entweder Glück haben oder längere, weniger absorbierte Wellen betrachten.

Das Sprichwort „Lass es Licht sein“, das Sterne und Galaxien gebildet hat, reicht nicht aus, um das dunkle Zeitalter des Universums zu beenden. Licht zu schaffen ist nur die halbe Miete; Ebenso wichtig ist es, eine Umgebung zu schaffen, in der es sich bis in die Augen ausbreiten kann. Dafür brauchen wir viel Ultraviolett und Zeit. Aber wenn Sie richtig schauen, können wir in die Dunkelheit schauen und sehen, was wir vorher nicht gesehen haben. Und in weniger als zwei Jahren wird diese Geschichte beginnen.

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).