Die Temperatur des jungen Universums

Tief in die Vergangenheit des Universums hat ein Teleskop in den fran­zösischen Alpen geblickt. Mit ihm beobachteten die Forschenden erstmals eine extrem weit entfernte Wasserstoff­wolke, welche die kurz nach dem Urknall entstandene kosmische Hinter­grundstrahlung abschattet. Der Schatten entsteht, weil das kältere Wasser die wärmere Hintergrund­strahlung auf ihrem Weg zur Erde verschluckt. Dies gibt Aufschluss über die Temperatur des Kosmos nur 880 Millionen Jahre nach dem Urknall. Für die Messungen in der frühen Jugend des Alls nutzte ein internationales Team das „Northern Extended Millimeter Array“ (NOEMA), das leistungs­stärkste Radioteleskop der nördlichen Hemisphäre.

Das Universum kam vor rund 13,8 Milliarden Jahren mit dem Urknall zur Welt. Damals waberte eine heiße, trübe Suppe aus Strahlung und Elementar­teilchen im Raum, der sich rasch ausdehnte. Ebenso schnell nahmen Dichte und Temperatur ab, wobei auch die Photonen immer mehr an Energie verloren. Nach etwa 380.000 Jahren war dieses Plasma auf 3000 Kelvin abgekühlt. Jetzt konnten stabile Atome entstehen. Und die Photonen hatten freie Bahn und breiteten sich im Weltall aus. Der Kosmos wurde gleichsam durchsichtig. Das Universum expandiert seit dem Urknall, und diese 380.000 Jahre später ausgesendete Hintergrund­strahlung hat sich bis heute auf 2,728 Kelvin abgekühlt. Mit Radioteleskopen oder Satelliten lässt sie sich im Bereich der Mikrowellen beobachten. Ließe sich die Temperatur zu verschiedenen Zeiten der kosmischen Historie messen, dann könnte man die Expansions­geschichte des Alls rekonstruieren und Infor­mationen über die dunkle Energie gewinnen.

Hier kommt die jüngste Beobachtung mit NOEMA ins Spiel. Diese Anlage des Institut de Radio­astronomie Milli­métrique (IRAM) besteht aus zwölf 15-Meter-Antennen, die auf das Objekt HFLS3 gerichtet wurden. Dahinter verbirgt sich eine Starburst-Galaxie – ein junges Milchstraßen­system, das eine Phase heftiger Sternen­geburten erlebt. Das Licht, welches wir heute von HFLS3 empfangen, ging zu einer Zeit auf die Reise, als das Weltall gerade mal 880 Millionen Jahre alt war. In dieser Galaxie befindet sich eine ausgedehnte Wolke aus kaltem Wasserdampf. Bei der Beobachtung dieser Wolke trat ein Effekt auf, den die Forschenden von Sonne und Sternen kennen: Denn über den heißeren, tieferen Gasschichten befinden sich meist kühlere, durch die das Licht hindurch eilen muss. Dabei entstehen im Spektrum Absorptions­linien. Beobachten Astronomen das regen­bogenartige Spektrum eines Sterns, dann erscheinen diese Absorptions­linien tatsächlich wie dunklere, linienförmige Schatten.

Im Fall der Starburst-Galaxie HFLS3 wirkt die kosmische Hintergrund­strahlung wie eine Lichtquelle, die sich aus Sicht des Beobachters hinter der Galaxie befindet. Der Schatten entsteht, weil das kältere Wasser in der galaktischen Wolke die wärmere Mikrowellen­strahlung auf ihrem Weg zur Erde absorbiert. Da sich die Temperatur des Wassers aus anderen beobachteten Eigenschaften der Galaxie ableiten lässt, weist der Unterschied auf die Temperatur der kosmischen Hintergrund­strahlung zu diesem Zeitpunkt hin: Sie liegt etwa sechsmal höher als im heutigen Universum. Denn aus ihren Beobachtungen schließen die Astro­­nominnen und Astronomen, dass die Hintergrund­strahlung damals eine Temperatur zwischen 16,4 und 30,2 Kelvin gehabt haben muss. Dies stimmt mit der Temperatur von zwanzig Kelvin überein, die aktuelle kosmo­­logische Modelle für den betreffenden Zeitpunkt 880 Millionen Jahre nach dem Urknall vorhersagen – angesichts des direkten Zusammen­hangs zwischen der Abkühlung der Hintergrund­­strahlung und der Expansions­geschichte des Alls ein wichtiges Indiz, dass diese Modelle in sich stimmig sind.

„Die Entdeckung ist nicht nur ein Beweis für die Abkühlung, sondern sie zeigt uns auch, dass das Universum in seinen Anfängen einige ganz bestimmte physi­kalische Eigen­schaften hatte, die heute nicht mehr existieren“, sagt Dominik Riechers vom Institut für Astrophysik der Universität Köln. Laut Riechers eröffnet sich damit ein einzigartiges Fenster ins sehr junge All. „Schon rund 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall war der Mikrowellen­­hintergrund zu kalt, um diesen Effekt beobachten zu können.“ Würde heute eine Galaxie mit ansonsten identischen Eigen­schaften wie HFLS3 existieren, wäre der Wasserschatten nicht beobachtbar, weil der erforderliche Temperatur­­kontrast nicht mehr vorhanden wäre.

„Das ist ein wichtiger Meilenstein, der nicht nur den erwarteten Abkühlungs­trend für eine viel frühere Epoche als bisher möglich bestätigt, sondern auch direkte Auswirkungen auf die Natur der schwer fassbaren Dunklen Energie haben könnte", sagt Axel Weiß vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. „Wir sehen ein expan­dierendes Universum, in dem sich die Dichte der dunklen Energie nicht ändert.“ Dunkle Energie wird als eine Ursache für die beschleunigte Expansion des Universums in den vergangenen Milliarden Jahren angesehen. Ihre Eigenschaften sind allerdings nach wie vor schlecht verstanden, da sie sich mit den derzeit verfüg­baren Einrich­tungen und Instrumenten nicht direkt beobachten lassen. Diese Eigen­schaften beeinflussen jedoch die Entwicklung der kosmischen Expansion und damit die Abkühlungsrate des Universums vom Urknall bis heute.

Nachdem das Team eine kalte Wasserwolke in solch großer Entfernung aufgespürt hat, macht es sich nun auf die Suche nach vielen weiteren am Himmel. Ziel dabei ist es, die Abkühlung der kosmischen Hintergrund­strahlung in den ersten 1,5 Milliarden Jahren der Geschichte des Universums zu kartieren. „Dank der neuen Technik, die mit dem NOEMA-Interferometer ermöglicht wurde, können wir nun physikalische Prozesse im frühen Universum untersuchen, die sich uns bis jetzt entzogen haben“, sagt Fabian Walter vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. Und NOEMA-Wissen­schaftler Roberto Neri ergänzt: „Unser Team verfolgt dieses Projekt weiter, indem es die Umgebung anderer Galaxien untersucht.“ Mit den zu erwartenden Verbesserungen der Präzision durch Analysen größerer Stichproben von Wasser­wolken bleibe abzuwarten, ob unser derzeitiges, grundlegendes Verständnis der dunklen Energie Bestand hat.

MPG / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. A. Riechers et al.: Microwave background temperature at a redshift of 6.34 from H₂O absorption, Nature 602, 58 (2022); DOI: 10.1038/s41586-021-04294-5
• Northern Extended Millimeter Array NOEMA, Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), Grenoble
• Institut für Astrophysik, Universität Köln