Signal aus der kosmischen Morgendämmerung

Wann und wie sind die ersten Sterne im Kosmos ent­standen, wie groß waren sie und wie haben sie ihre Um­ge­bung beein­flusst? Mit­hilfe von zwei kleinen Radio­antennen in Austra­lien ist ein inter­natio­nales Forscher­team jetzt einer Beant­wor­tung dieser Fragen ein Stück näher gerückt. Im Rahmen des Projekts EDGES – Experi­ment to Detect the Global Epoch of Re­ioni­za­tion Signa­ture – konnten die Wissen­schaftler erst­malig eine charak­teris­tische Absorp­tions­struktur im Spektrum der kosmischen Hinter­grund­strah­lung nach­weisen, deren Exis­tenz seit langem theo­re­tisch vor­her­gesagt wird.

Dabei handelt es sich um die stark rotverschobene Absorp­tion durch den Hyper­fein­struktur-Über­gang des neutralen Wasser­stoffs. Im jungen Kosmos nach der Re­kombi­na­tion ist die atomare Spin­tempe­ratur des neutralen Wasser­stoffs zunächst im Gleich­ge­wicht mit der kine­tischen Tempe­ratur des Gases. Während das Gas sich schneller abkühlt als die Hinter­grund­strah­lung, ent­koppelt die Spin­tempe­ratur von der kine­tischen Tempe­ratur und gleicht sich der Hinter­grund­strahlung an. Doch etwa 200 Milli­onen Jahre nach dem Urknall führt die Abküh­lung des Gases zur Bildung von Ver­dich­tungen, aus denen die ersten Sterne ent­stehen.

Die ultraviolette Strahlung dieser ersten Sterne leitet nicht nur die Epoche der Re­ioni­sa­tion ein – die kosmische Morgen­dämme­rung. Sie führt auch zu einer Senkung der Spin­tempe­ratur des ver­blei­benden neutralen Wasser­stoffs. Dadurch kann der Hyper­fein­struktur-Über­gang jetzt einen Teil der kosmischen Hinter­grund­strahlung absor­bieren. Eben diese Absorp­tion haben Judd Bowman von der Arizona State Univer­sity in den USA und seine Kollegen mit einer zwölf Jahre dauernden Mess­kampagne mit dem EDGES-Experi­ment auf­ge­spürt. Das Signal zeige, so die Forscher, dass die ersten Sterne bereits etwa 180 Milli­onen Jahre nach dem Urknall ent­standen sind. Das ist in guter Über­ein­stim­mung mit theo­re­tischen Vor­her­sagen im Rahmen des kosmo­lo­gischen Standard­modells. In diesem Modell macht die normale Materie, aus der Sterne und Planeten bestehen, nur einen kleinen Teil von knapp fünf Prozent der Masse und Energie des Kosmos aus, der Rest ent­fällt auf die dunkle Materie und die dunkle Energie.

Überraschend ist die Stärke des aufgespürten Signals: Es ist zwei- bis drei­mal stärker als selbst nach den opti­mis­tischsten Vor­her­sagen erwartet. Nach Ansicht von Bowman und seinen Kollegen lässt sich diese Diskre­panz ent­weder dadurch erklären, dass die Tempe­ratur des absor­bie­renden Wasser­stoff­gases niedriger ist als erwartet oder dadurch, dass das um­ge­bende Strahlungs­feld heißer ist bis­lang als ange­nommen. Die Forscher sehen es jedoch als unwahr­schein­lich an, dass astro­physi­ka­lische Phänomene wie die Strahlung von Sternen und Super­nova-Über­resten für eine solche Auf­heizung ver­ant­wort­lich sein könnten.

Damit bleibe als Erklärung, so Bowman und seine Kollegen, nur eine zusätz­liche Abküh­lung des Wasser­stoffs durch eine vom Standard­modell nicht erfasste Wechsel­wirkung zwischen der dunklen und der normalen Materie. In einer unab­hängigen Analyse bestätigt Rennan Barkana von der Univer­sität Tel Aviv in Israel diesen Erklä­rungs­ansatz. Aller­dings müsse die dunkle Materie dann aus Teil­chen bestehen, die eine wesent­lich gerin­gere Masse besitzen als bis­lang ange­nommen. „Die Teil­chen können nicht schwerer sein als einige Protonen­massen“, so der Forscher, „und das ist erheb­lich weniger als die all­ge­mein vermutete Masse schwach wechsel­wirkender Teil­chen.“ Solche WIMPs gelten bis­lang als die aus­sichts­reichsten Kandi­daten für die dunkle Materie. Zudem müssten die Teil­chen sich relativ lang­sam – mit Geschwin­dig­keiten weit unter der Licht­ge­schwin­dig­keit – bewegen. Die Ent­deckung von Bowman und seinen Kollegen könnte also – wenn sie durch weitere Experi­mente unab­hängig bestä­tigt wird – nicht nur ein Fenster zur Unter­suchung der ersten Sterne im Kosmos auf­stoßen sondern auch neue Erkennt­nisse über die dunkle Materie liefern.

Rainer Kayser

RK