Das NASA-Teleskop Nancy Grace Roman wird die Übergänge des Universums zu seiner heutigen sternenreichen Landschaft untersuchen, eine Periode, die als kosmische Morgendämmerung bekannt ist. Derzeit sind große Regionen des Raums klar, aber das war nicht immer der Fall. In seiner Jugend war das Universum von einem 'Nebel' obscuriert, der die ersten Sterne und Galaxien verbarg.
Michelle Thaller, Astrophysikerin am Goddard Space Flight Center der NASA, erklärte: „Etwas Grundlegendes über die Natur des Universums hat sich in dieser Zeit verändert. Dank der scharfen Infrarotbilder von Roman werden wir endlich verstehen, was während eines kritischen kosmischen Wendepunkts passiert ist.“
Kurz nach seiner Geburt war das Kosmos ein brodelndes Meer aus Teilchen und Strahlung. Als es sich ausdehnte und abkühlte, konnten positiv geladene Protonen negativ geladene Elektronen einfangen, um neutrale Atome zu bilden, hauptsächlich Wasserstoff und etwas Helium. Es dauerte wahrscheinlich lange, bis das gasförmige Wasserstoff und Helium fusionierten, um Sterne zu bilden, die sich dann zusammenschlossen, um die ersten Galaxien zu bilden. Doch selbst als die Sterne zu leuchten begannen, konnte ihr Licht nicht weit reisen, bevor es von neutralen Atomen absorbiert wurde. Diese Periode, bekannt als das kosmische Dunkelzeitalter, dauerte von etwa 380.000 bis 200 Millionen Jahren nach dem Urknall.
Der 'Nebel' löste sich allmählich auf, als immer mehr neutrale Atome in den folgenden Hunderten von Millionen Jahren zerbrachen, was die kosmische Morgendämmerung markierte.
Aaron Yung, Giacconi-Stipendiat am Space Telescope Science Institute, äußerte seine Neugier über den Prozess und sagte: „Die weite und scharfe Sicht des tiefen Raums von Roman wird uns helfen, verschiedene Erklärungen abzuwägen.“
Das NASA-Team glaubt, dass primitive Galaxien größtenteils für das energetische Licht verantwortlich sein könnten, das neutrale Atome zerbrach. Auch frühe schwarze Löcher könnten eine Rolle gespielt haben. Roman wird umfassend suchen, um potenzielle 'Täter' zu untersuchen.
Takahiro Morishita, Assistenzwissenschaftler am Caltech/IPAC, bemerkte: „Roman wird ein ausgezeichnetes Instrument sein, um die Bausteine kosmischer Strukturen zu finden, wie die späteren Galaxienhaufen. Es wird schnell die dichtesten Regionen identifizieren, in denen der meiste 'Nebel' beseitigt wird, was Roman zu einer Schlüsselmission für die Untersuchung der frühen Entwicklung von Galaxien und der kosmischen Morgendämmerung macht.“
Die ersten Sterne waren wahrscheinlich sehr unterschiedlich von modernen. Als die Schwerkraft begann, Materie anzuziehen, war das Universum extrem dicht. Diese Sterne könnten Hunderte oder Tausende von Malen massereicher als die Sonne gewesen sein und enorme Mengen hochenergetischer Strahlung ausgestrahlt haben. Die Schwerkraft bündelte junge Sterne, um Galaxien zu bilden, und ihre akkumulierten Explosionen könnten Elektronen von Protonen in den umgebenden Raumblasen abgerissen haben.
„Man könnte sagen, es war die Party des Universums Anfang,“ sagte Thaller und fügte hinzu: „Wir haben nie die Geburt der ersten Sterne und Galaxien gesehen, aber es muss spektakulär gewesen sein!“
Diese massereichen Sterne hielten jedoch nicht lange. Wissenschaftler glauben, dass sie schnell kollabierten und schwarze Löcher hinterließen, Objekte mit einer so extremen Schwerkraft, dass selbst Licht nicht entkommen kann. Da das junge Universum auch kleiner war, weil es sich nicht lange ausgeweitet hatte, könnten Horden dieser schwarzen Löcher fusioniert sein, um andere noch größere zu bilden, mit Massen von bis zu Millionen oder sogar Milliarden Mal der Masse der Sonne.
Supermassive schwarze Löcher könnten geholfen haben, den 'Nebel' aus Wasserstoff zu beseitigen, der das primitive Universum durchdrang. Das heiße Material, das sich um schwarze Löcher in den hellen Zentren aktiver Galaxien, die Quasare genannt werden, dreht, kann extreme Temperaturen erzeugen und enorme Strahlen intensiver Strahlung emittieren. Diese Strahlen können sich über Hunderttausende von Lichtjahren erstrecken und Elektronen von allen Atomen abreißen, die sich in ihrem Weg befinden.
Das NASA James-Webb-Weltraumteleskop untersucht ebenfalls die kosmische Morgendämmerung, indem es seine engere, aber tiefere Sicht nutzt, um das frühe Universum zu studieren. Durch die Kombination der Beobachtungen von Webb mit denen von Roman werden Wissenschaftler ein viel umfassenderes Bild dieser Ära erzeugen. Bisher hat Webb mehr Quasare entdeckt als erwartet, angesichts ihrer Seltenheit und seines kleinen Sichtfeldes. Romans erweiterte Sicht wird Astronomen helfen zu verstehen, wie häufig Quasare tatsächlich sind, da es wahrscheinlich Zehntausende finden wird im Vergleich zu der kleinen Anzahl, die Webb finden kann.