Gesucht: Spuren der ersten Sternentstehung
Kilometergroße Antennenanlage könnte Informationen über diese frühe Phase der kosmischen Entwicklung liefern.
Wann sind nach dem Urknall die ersten Sterne entstanden? Die Beantwortung dieser Frage ist eine der großen Herausforderungen der aktuellen kosmologischen Forschung. Simulationen eines Forscherteams aus den USA und Israel zeigen nun, dass eine mehrere Kilometer große, im Bereich von 50 bis 100 Megahertz empfindliche Antennenanlage ein Signal der ersten Sterne einfangen könnte – in Form von Fluktuationen in der stark rotverschobenen 21cm-Linie des Wasserstoffs.
Abb.: Die ersten Sterne entstanden aus verdichtetem Gas, doch die relative Bewegung von baryonischer und Dunkler Materie unterdrückt die Sternentstehung – macht aber zugleich ihren Nachweis möglich. (Bild: NASA / WMAP Science Team)
Dmitriy Tseliakhovich und Christopher Hirata vom California Institute of Technology hatten vor zwei Jahren auf ein bis dahin bei kosmologischen Simulationen unbeachtetes Phänomen hingewiesen: Baryonische und Dunkle Materie bewegen sich zum Zeitpunkt der Rekombination mit einer mittleren Geschwindigkeit von 30 km/s gegeneinander. Das ist eine Folge der Tatsache, dass Baryonen im Gegensatz zur Dunklen Materie vor der Rekombination eng an die Photonen gekoppelt sind. Die Relativgeschwindigkeit ist deutlich höher als die Schallgeschwindigkeit in der baryonischen Materie zu dieser Epoche. Das bedeutet, dass die Bildung von Verdichtungen und damit die Entstehung der ersten Sterne durch diesen Effekt unterdrückt werden.
Eli Visbal vom Institute for Theory and Computation der Harvard University und seine Kollegen haben nun erstmals Simulationen der Strukturbildung im frühen Kosmos durchgeführt, die diese Unterdrückung vollständig berücksichtigen. Wie die Forscher berichten, führt der Effekt dazu, dass die ersten Sterne sich in Halos bilden, die rund eine Million Sonnenmassen enthalten – erheblich mehr als bislang angenommen.
Deshalb, so Visbal und seine Kollegen, haben frühere Simulationen auch kein messbares Signal der Sternentstehung geliefert. Die Simulationen des Forscherteams zeigen nun, dass die Sternentstehung zu so genannten akustischen Oszillationen im Wasserstoffgas führt, die sich als etwa ein Hundertstel Kelvin große Temperaturschwankungen in der 21-Zentimeter-Linie widerspiegeln. Dieses Signal wäre mit den heutigen technischen Möglichkeiten nachweisbar.
Da die Entstehung der ersten Sterne etwa bei einer Rotverschiebung von 20 stattfand – einem Weltalter von 180 Millionen Jahren entsprechend – wurde die Wellenlänge der Strahlung auf ihrem Weg zur Erde um das 21-fache gedehnt, entsprechend einer Frequenz von etwa 68 Megahertz. Zum Empfang dieser Strahlung wäre ein spezielles, mehrere Kilometer großes Array aus Niederfrequenz-Antennen nötig, vergleichbar etwa dem Murchison Wide-field Array (MWA) in Australien oder dem Low Frequency Array (LOFAR) in Europa. Visbal und seine Kollegen hoffen, dass ihre Ergebnisse zum Bau einer solchen Anlage anregen.
Rainer Kayser
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