Das intergalaktische Medium im jungen Universum

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Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

Bild des 6.5-Meter-Primärspiegels am MMT. Das MMT kam zum Einsatz, um das Nachglühen eines Gammastrahlenausbruchs zu untersuchen und um zum ersten Mal das Vorhandensein von neutralem Material in Gaswolken im frühen Universum zu messen. MMT Observatory

In seinen ersten Jahren war das Universum so heiß, daß Elektronen und Protonen sich nicht zu neutralen Atomen verbinden konnten: das gesamte Gas im Kosmos war ionisiert. Dann, nach 380.000 Jahren der Ausdehnung, war das Universum ausreichend abgekühlt, um Wasserstoff-atome und ein wenig Helium (etwa 25%) zu bilden. Viel später in der kosmischen Geschichte – die genaue Datierung ist ein aktives Gebiet heutiger Forschung, doch vielleicht nach wenigen 100 Millionen Jahren – erschien die erste Sterngeneration in der riesigen Weite des atomaren Gases und diese Sterne strahlten genügend ultraviolettes Licht ab, um den neutralen Wasserstoff in ihrer Nachbarschaft wieder zu ionisieren. Während sich das Universum weiter ausdehnte und entwickelte, trieben jüngere Sterngenerationen die Reionisation des Wasserstoffs voran, bis zu irgendeinem Zeitpunkt das meiste Gas zwischen den Galaxien (das intergalaktische Medium) erneut ionisiert war. Das Zeitalter der Reionisation ist ein wichtiges Untersuchungswerkzeug, da sich damit ermitteln läßt, wann die ersten Sterngenerationen entstanden und es liefert wichtige Einzelheiten über die frühe Entwicklung des Universums.

Die Suche nach Hinweisen auf ionisierten Wasserstoff von vor mehr als zehn Milliarden Jahren ist keine einfache Aufgabe. Eine Methode zieht Nutzen aus den ungeheuren Leuchtkräften entfernter Quasare, Galaxien, beherrscht von supermassereichen Schwarzen Löchern, die lebhaft Materie akkretieren und hell leuchten. Wenn Wolken aus neutralem Wasserstoff zwischen uns und einem Quasar liegen, können Astronomen diese erkennen, da sie das Licht des Quasars bei bestimmten Wellenlängen absorbieren. Erstmals entdeckt wurden diese Wolken in den 1960-ern (wenn auch mittels Quasaren, die uns recht nah liegen). Die CfA-Astronomen Ryan Chornock, Edo Berger, Ragnhild Lunnan, Maria R. Drout, Wen-fai Fong und Tanmoy Laskar haben mit Derek B. Fox und Katherine C. Roth einer neuen Technik den Weg bereitet, um die Reionisation zu untersuchen: sie nutzen das emittierte Licht im Nachglühen eines Gammastrahlenausbruchs (gamma ray burst = GRB), um das auf dem Weg zu uns liegende Gas zu untersuchen. GRBs sind die hellsten Ereignisse im bekannten Universum und ergeben sich aus besonders eindrucksvollen Supernovae, dem Tod massereicher Sterne. Sie ereignen sich etwa einmal pro Tag, sind zufällig am Himmel verteilt und die meisten leuchten nur wenige Minuten auf – da sie aber so hell sind, können sie beobachtet werden, selbst wenn sie extrem weit entfernt sind. Nach dem Abklingen der Explosionen bleibt ein schwaches Leuchten zurück, und wenn ein GRB rechtzeitig entdeckt wird, lassen sich Folgebeobachtungen an seinem Nachleuchten durchführen. In dieser neuen Untersuchung waren die Astronomen in der Lage, das Nachleuchten eines GRB zu nutzen, um das neutrale intergalaktische Medium zu untersuchen.

Der GRB dieser Studie explodierte am 06. Juni 2013 und die Explosion dauerte 277 Sekunden; er wurde vom Satelliten Swift der NASA entdeckt. Die Forscher begannen die Beobachtung des Nachleuchtens mit dem MMT-Observatorium 6 Stunden und 59 Minuten später. Sie entdeckten mittels des optischen Spektrums (also aus seiner Rotverschiebung und zugehöriger Entfernung), daß sich die Explosion ereignete, als das Universum nur etwa 970 Millionen Jahre alt war. Sie entdeckten im Absorptionsspektrum auch Hinweise, die die Anwesenheit von einigen entfernten Wolken aus neutralem Gas zwischen uns und der Explosion erkennen lassen. Die Resultate sind von Bedeutung, da zum ersten Mal das Nachleuchten eines GRB genutzt wurde, um das Gas auf kosmologischen Entfernungen zu untersuchen und ältere Schlußfolgerungen unterstützt werden, daß in dieser Ära in der Entwicklung des Kosmos das meiste (aber nicht alles) Material ionisiert worden ist.

Literatur:
“GRB 130606A as a Probe of the Intergalactic Medium and the Interstellar Medium in a Star-Forming Galaxy in the First Gyr after the Big Bang”
Ryan Chornock, Edo Berger, Derek B. Fox, Ragnhild Lunnan, Maria R. Drout, Wen-fai Fong, Tanmoy Laskar, and Katherine C. Roth
The Astrophysical Journal, 774:26 (10pp), 2013 September 1

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