Astronomie: Schwere Elemente wohl schon zu Beginn der Reionisierung entstanden

Schon 500 Millionen Jahre nach dem Urknall haben Galaxien schwere Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Silicium produziert und im frühen Universum verteilt. Das haben Beobachtungen von drei Galaxien mit dem Weltraumteleskop James Webb ergeben, erklärt die dafür verantwortliche Forschungsgruppe jetzt. Der Prozess hat damit bereits in der sogenannten Epoche der Reionisierung, also viel früher begonnen als bislang angenommen. Zudem könnte die Entdeckung gleich noch ein großes Rätsel der Astronomie lösen. Denn das würde bedeuten, dass die allererste Sternengeneration im Kosmos viel früher abgelöst wurde, als bislang gedacht und deshalb so schwer zu finden wäre.

Früher entstanden und früher verteilt

Gelungen ist die Entdeckung mit dem Weltraumteleskop James Webb, erklärt die University of Arizona. Damit hat die Forschungsgruppe um Yongda Zhu das Licht untersucht, das drei Galaxien eine halbe Milliarde Jahre nach dem Urknall verlassen hat. Auf dem Weg hat es intergalaktisches Gas durchquert, das wiederum Spuren im Spektrum des Lichts hinterlassen hat. Genau die hat das Team untersucht und die Spuren der unerwarteten Elemente entdeckt. Die seien zudem leicht verschoben gewesen, was darauf hindeute, dass sich das Gas auf uns zu – und damit von den Galaxien wegbewegt hat. Jene haben diese neuen Elemente damals also bereits im Kosmos verteilt.

Die Universität ruft angesichts der Entdeckung in Erinnerung, dass für die ersten Sterne nach dem Urknall fast ausschließlich Wasserstoff und Helium zur Verfügung stand. Die erste Sternengeneration, die sich daraus gebildet hat, wird als Population III bezeichnet. Weil erste Nachweise wohl erst in jüngster Zeit gelungen sind, ist viel über ihren Aufbau und ihren Lebenszyklus nur theoretisch beschrieben. So nimmt man an, dass sie zehn- oder hundertmal massereicher waren als unsere Sonne und vergleichsweise rasch nach wenigen Millionen Jahren in gewaltigen Supernovae endeten. Erst dabei entstanden schwerere Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Magnesium und etwas Eisen, die die Grundlage für die nächste Sternenpopulation bildeten.

Als Reionisierung wiederum wird eine Epoche der Geschichte des Kosmos bezeichnet, in der etwa 500 bis 900 Millionen Jahre nach dem Urknall jenes lichtdurchlässige Universum entstanden ist, das wir heute kennen. Während dieser „kosmischen Morgendämmerung“ haben die ersten Sterne und Galaxien die Elektronen von den Wasserstoffkernen (den Protonen) getrennt. Die konnten dann keine Photonen (also Licht) mehr absorbieren, das Universum wurde transparent. Erst dank des Weltraumteleskops James Webb kann dieser Prozess inzwischen genauer erforscht werden und die jetzt bekannt gemachte Untersuchung zeigt, dass hier noch Überraschungen warten.

Vorgestellt wird die Entdeckung jetzt im Fachmagazin Nature Astronomy. Das Forschungsteam stellt sie mit einer Reihe von Analogien vor, damit man sich den entdeckten Prozess besser vorstellen kann. So vergleicht Zhu den Prozess der Verteilung der offenbar deutlich früher entstandenen schweren Elemente mit der Ausbreitung von Lebensmittelfarbe in einem Becher voller Wasser: „Die Farbe beginnt sich im Wasser auszubreiten, und in ähnlicher Weise begannen diese schweren Elemente aus frühen Galaxien, in den Weltraum zu entweichen und ihre Umgebung ‚anzureichern‘.“ Dass dabei die Spuren der Population III schneller versteckt wurden, erinnert ihn an Vanilleeis, in das man Streusel mischt. Da dauere es auch nicht lange, bis man kein reines, schlichtes Vanilleeis mehr finden könne.