Das Licht aus fernster Vergangenheit

Auf der Suche nach dem kosmischen Gral, dem Schlüssel zu allem, der mitunter das Tor zum Anfang der Welt oder anderen Welten öffnet, richtet sich die Aufmerksamkeit vieler Kosmologen unserer Epoche auf den "Big Bang" map.gsfc.nasa.gov/m_uni/uni_101bb1.html, jener Ur-Sache aller Ursachen dieser Welt, die in unserem Sprachraum gerne mit der unzureichenden und falsch übersetzten Metapher "Urknall" umschrieben wird, ein Kunstwort, das der Verfechter der Steady-State-Theorie, Fred Hoyle www.panspermia.org/hoylintv.htm (1915-2001), am 25. Februar 1950 während der BBC-Radiosendung "Man's Place in the Expanding Universe", erstmals zum Besten gegeben hatte.

Obwohl damit Hoyle - ein ausgewiesener Gegner eines Modells, das einen Anfang des Universums postuliert - den Urknall-Verfechtern keineswegs schmeicheln und deren Theorie wortgewaltig abqualifizieren wollte, hat sich in der Astronomie nicht nur der Name "Big Bang" etabliert, sondern auch das Urknall-Modell selbst.

Heute verbindet das Gros der Astrophysiker mit ihm das einheitlich anerkannte kosmologische Standardmodell über den Anfang der Welt, dessen Richtigkeit zahlreiche Indizien untermauern, wie etwa die Existenz der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung http://www.mpifr-bonn.mpg.de/public/Dir_Bjoern/CMB1.html, die das ganze Universum isotrop durchflutet und ihren Ursprung im frühen Kosmos hat. Noch heute ist derselbige von diesen Lichtteilchen oder elektromagnetischen Wellen erfüllt.

Da das junge Universum für elektromagnetische Strahlung jeder Art, insbesondere aber für Licht, undurchsichtig war, ehe es etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall auf rund 4.000 Kelvin abkühlte, können wir demzufolge heute nicht sehen, was sich vor langer Zeit jenseits dieses Horizonts abspielte. Unser "Blick" endet dort, wo er in eine frühe Epoche ragt, in der die Temperatur der kosmischen Materie höher und das Universum eine brodelnde, hauptsächlich aus Protonen, Elektronen und Photonen bestehende Masse war.

Die Fernsicht in den frühen Weltraum ist durch die kosmische Photosphäre versperrt - so als würde man den blauen Himmel durch die Unterseite von Wasserdampfwolken betrachten.

Dennoch versuchen Teleskope weltweit, sich der Photonenbarriere, der "kosmischen Nebelwand", zumindest zu nähern bzw. in dieses Raum-Zeit-Gebiet vorzustoßen und dort vorhandene lohnenswerte Zielobjekte zu suchen, wozu etwa protogalaktische Wolken und in der Entstehung befindliche Galaxien zählen. Ein derzeit noch nicht erschlossenes Universum incognitum wartet darauf, entdeckt zu werden, in dem sich jene Objekte tummeln, die zu Anfang des "dunklen Zeitalters" entstanden sind.

Dieses begann der aktuell gültigen Theorie zufolge etwa 400.000 Jahre nach dem Big Bang, als sich im Zuge der rasend schnellen kosmischen Expansion das All peu à peu abkühlte und Nebelwolken aus kaltem Wasserstoff die Regie übernahmen, woraus sich nach ein paar hundert Millionen Jahren die erste Generation von Sternen bildete und etwas später die ersten Quasare und Galaxien entwickelten.

Mit ihrer UV-Strahlung fegten sie den Nebel beiseite. Die Folge: Das undurchsichtige Universum füllte sich mit Strahlung. Diesen Übergang bezeichnen Astrophysiker als kosmische Renaissance.

Ein Weltraumveteran, der sich seit 18 Jahren unermüdlich der Grenze der kosmischen Photosphäre nähert und Licht in das Dunkle des "dunklen Zeitalters" bringen will, ist das Hubble-Weltraumteleskop, dem unlängst wieder einmal ein Volltreffer in Gestalt einer Galaxie gelungen ist, die bereits 700 Millionen Jahre nach dem Urknall die samtene Schwärze des Alls mit Licht erfüllte. Sekundiert von dem "Spitzer"-Weltraumteleskops, das zusätzliche Hinweise lieferte, fanden die Forscher handfeste Indizien, dass die unbekannte Galaxie schon zu ihrer "Kindheit" ein Kreißsaal für Sterne war.

"Wir waren absolut überrascht, eine solch helle und junge Galaxie 12,8 Milliarden Jahre in der Vergangenheit zu finden", freut sich der australische Astrophysiker Garth Illingworth vom Hubble-Team, der an der University of California in Santa Cruz (USA/Kalifornien) lehrt und forscht. "Dies ist der bislang detaillierteste Blick auf ein so weit entferntes Objekt."

Piero Rosati von der "European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere" ESO, der an der Hubble-Observation teilnahm, geht in seiner Wertung noch einen Schritt weiter und spricht von einem "heißen Anwärter auf den Titel der am weitesten entfernten Galaxie".

Tatsächlich spielte die von Hubble lokalisierte 12,8 Milliarde Jahre alte helle Galaxie für das Ende des "dunklen Zeitalters" eine nicht unbeträchtliche Rolle, wie der Leiter der Studie Larry Bradley von der Johns Hopkins University in Baltimore (USA/Maryland) bestätigt:

"Diese Galaxie ist wahrscheinlich eine der vielen Galaxien, die dabei geholfen haben, das ‚dunkle Zeitalter' zu beenden. Astronomen sind sich ziemlich sicher, dass Quasare nicht genug Energie geliefert haben, um das "dunkle Zeitalter" zu beenden. Dagegen könnten viele junge Galaxien mit ihrer heftiger Sternentstehung ausreichend Energie erzeugt haben."

Da die ersten Galaxien im Universum kurz nach dem Ende des Dunklen Zeitalters entstanden sind, sieht sich der Betrachter des neuen Hubble-Bildes einer vergleichsweise sehr jungen Galaxie gegenüber, wie sie zu in ihrer Jugend einmal ausgesehen hat.

A1689-zD1, so der kryptische Namen der fernen Galaxie, wurde von den Infrarot-Kameras des Hubble-Teleskops NICMOS/NIC3 (gesamte Belichtungszeit: 14,1 Stunden) und der des Spitzer-Teleskops IRAC (s.u.) aufgespürt. Mehr als einige helle Flecken, die von den leuchtkräftigsten Sterne von A1689-zD1 herrühren, können aber weder Hubble noch Spitzer präsentieren.

A1689-zD1war möglicherweise eine der ersten Materieoasen, in denen Sterne das Licht des Universums erblickten. Als die Hubble-Forscher einen ausgewählten Himmelsausschnitt mehrere Stunden lang belichteten, nutzen sie zugleich den Gravitationslinseneffekt, den die Galaxieansammlung Abell 1689 generierte.

Der von Albert Einstein vorhergesagte, aber selten auftretende so genannte Microlensing-Effekt beruht auf der Mikrogravitationslinsenwirkung: Bewegt sich ein Stern, der sich in der Sichtlinie der Erde und einem weit entfernten Hintergrundstern befindet, an diesem vorbei, wird das Licht des Hintergrundsterns in charakteristischer Weise durch den Gravitationslinseneffekt verstärkt.

Dass dieser Effekt nicht nur bei Sternen, sondern auch bei Galaxien und Galaxien-Clustern zum Tragen kommt, bewies das Hubble-Teleskop bereits mehrfach mithilfe von Abell 1689. Durch die Schwerkraft des 2,2 Milliarden Lichtjahre entfernten massereichen Galaxiehaufens wurde eine sage und schreibe zwei Millionen Lichtjahre große künstlich erzeugte "Linse" geschaffen, dank der die 12,8 Milliarden Lichtjahren von uns entfernte Galaxie ins Blickfeld rücken konnte.

Indem Hubble den Gravitationslinseneffekt nutzte, den Abell 1689 verursachte, wurde das schwache Licht von A1689-zD1 um das Zehnfache verstärkt: "Diese Galaxie liegt in der Nähe der Region, in der der Galaxien-Cluster die stärkste Vergrößerung verursacht - was ausschlaggebend dafür war, dass Hubble und Spitzer die Junggalaxie A1689-zD1 auflösen konnten", so Piero Rosati.

Wie eine Nachfolgebeobachtung des NASA-Infratrot-Weltraumteleskops Spitzer mit seiner sensiblen Infrarotkamera IRAC (Belichtungszeit: 22,2 Stunden) zeigte, entspricht die Masse der fernen Junggalaxie ungefähr einigen Milliarden Sternen unserer Milchstraße, in der selbst wiederum möglicherweise bis zu 500 Milliarden Sterne beheimatet sind.

Trotz dieser geringen Masse ist es letzten Endes der Sensibilität von IRAC zuzuschreiben, dass die im sichtbaren Licht unsichtbare Junggalaxie dennoch etwas von ihrem geheimnisvolles Antlitz preisgeben musste, auch wenn es sich dabei nur um weiße Flecken handelt.

Unsichtbares sichtbar zu machen - dies gelingt in der Astronomie bisweilen nur mittels Infrarotstrahlung, da viele astronomische Himmelskörper lediglich im infraroten Bereich des Lichtes emittieren.

Bild: NASA; ESA; L. Bradley (Johns Hopkins University); R. Bouwens (University of California, Santa Cruz); H. Ford (Johns Hopkins University); and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)

Da Wärmestrahlung problemlos dunkle Gas- und interstellare Staubwolken durchdringt, werden auf diese Weise nicht nur Babysterne, junge Sterne, Planetensysteme oder Staubnebel mit einem Male "sichtbar", sondern auch ferne Galaxien.

Hinzu kommt, dass bei weit entfernten Objekten - wie im Fall von A1689-zD1 - der Expansionseffekt des Universums stark zum Tragen kommt, da die Ausdehnung des Raumes das Licht ferner Welten besonders weit ins Rote verschiebt. Nur mittels Infrarotteleskope lässt es sich noch aufspüren.

Die Hoffnungen der Hubble- und Spitzer-Astronomen richten sich nunmehr auf das das nach dem zweiten NASA-Administrator und Leiter des Apollo-Programms James E. Webb umbenannte "James Webb Space Telescope" (vor 2002 hieß es noch "Next Generation Space Telescope/NGST"). Das geplante Weltrauminfrarotteleskop, ein Gemeinschaftsprodukt der NASA, ESA und der kanadischen Weltraumagentur CSA , soll frühstens in fünf Jahren vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana mit einer Ariane 5 ECA ins All abheben und in einen Orbit um den Lagrange-Punkt L2 des Erde-Sonne-Systems, ca. 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, Position beziehen.

L2 ist jener Punkt auf einer Erdumlaufbahn hinter dem Mond, an dem sich die Gravitationskräfte der Erde und der Sonne die Waage halten, so dass das Weltraumteleskop in dieser Region des Sonnensystems im Raum quasi stillsteht.

Auch wenn das bislang 1,2 Milliarden Dollar teure JWST nur halb so groß und zehn Tonnen leichter als Hubble sein wird, übertrifft es den Veteranen in puncto Leistungsfähigkeit bei weitem. Allein der teleskopeigene Infrarot-Hauptspiegel von JWST wird mehr als die siebenfache Fläche von Hubbles Primärspiegel haben und ergo weitaus mehr Licht aus dem "dunklen Zeitalter" einsammeln. Da es das Licht durch seinen größeren Spiegel stärker bündelt und speziell für das Infrarotlicht außergewöhnlich empfindliche Geräte besitzt, kann es kosmische Objekte ausspähen, die nur ein Hundertstel so hell sind wie die Phänomene, die Hubble bislang untersuchte.

Für das Hubble-Teammitglied Holland Ford von der Johns Hopkins University in Baltimore besteht auf alle Fälle Grund zum Optimismus und zur Vorfreude.

"Diese Galaxie [die Junggalaxie A1689-zD1] ist so hell, dass JWST von ihr einzelne Strukturen auflösen wird. Das Objekt ist ein Wegbereiter für JWST, um zu entschlüsseln, was sich in jungen Galaxien abspielt."