Woher kam das „dark age“ des Universums?

1931 erstmals von Georges Lemaître vorgestellt, gilt die Urknall-Theorie heute als das wahrscheinlichste Szenario, wie unser Universum entstanden sein könnte. Von Lemaître noch als "primordiales Atom" oder gar "kosmisches Ei" bezeichnet, geht die Theorie von einem heißen Anfangszustand des Alls aus. Dabei ist der irreführende Begriff "Urknall" allerdings nicht wörtlich als Explosion zu verstehen, sondern beschreibt vielmehr die Entstehung von Zeit, Raum und Materie aus einer Singularität heraus. Diese Singularität folgt in der Theorie eines expandierenden Universums aus dem Zurückrechnen in der Zeit. Dabei wird die zeitliche Entwicklung des Alls bis zu einem gewissen Punkt zurückverfolgt, an dem Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ungültig ist.

Und genau da beginnt das Dilemma. Denn was genau während des Urknalls und wenige Augenblicke danach passierte, kann derzeit nicht geklärt werden. Der einfache Grund: Es gibt keine Theorie, die sich auf diese Anfangsphase anwenden lässt. Denn sowohl die Allgemeine Relativitätstheorie wie auch die Quantenfeldtheorie beziehen sich auf bereits existierende(n) Raum, Zeit und Materie.

Was hingegen nach dieser unbekannten Anfangsphase passiert, ist inzwischen theoretisch gut erforscht.

So ist heute bekannt, dass sich nach dem Urknall das Universum mit einem stark wechselwirkenden Plasma gefüllt war, das die Bildung von Atomen verhinderte. Photonen wurden ständig an ihrer Ausbreitung gehindert, sodass es sich im wahrsten Sinne des Wortes um ein "dark age" handelte. Etwa 380.000 Jahre später war die Temperatur weit genug gesunken, um aus dem Plasma einzelne Atome hervorgehen zu lassen, sodass der Raum mit einem Wasserstoffgas gefüllt war. Aus diesem Gas entstanden schließlich im Laufe von vielen Millionen Jahren erste Sterne und Galaxien. Deren ultraviolette Strahlung spaltete jedoch die Wasserstoffatome wieder auf, sodass das Licht der ersten Sterne wieder verschwand. Aus diesem Grund können die ersten Sterne und Galaxien nicht über eine Suche nach ihrer ultravioletten Strahlung gefunden werden und müssen in anderen Frequenzbereichen aufgespürt werden.

Das Team um Rachael Livermore von der Universität von Texas in Austin nutzte nun eine neue Methode, um eben diese schwache, nicht-ultraviolette Strahlung zu erforschen. Dabei machten sie sich die enorme Gravitation eines Galaxienhaufens zunutze, der als Gravitationslinse fungierte und so die Strahlung weit hinter ihm liegender Objekte fokussiert und verstärkt. Mit Hilfe dieses Tricks konnte das Team Galaxien in bereits vorhandenen Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops entdecken. Mit einem Alter von 600 Millionen Jahren liegen diese frühen Welteninseln genau in der Zeit der Wasserstoffatomspaltung. Da Kritiker Livermores Methode allerdings als zu ungenau bezeichnen, kann die Nutzung eines Galaxienhaufens kein verlässliches Licht in das dunkle Zeitalter des frühen Universums bringen.

Daher werden auch supermassereiche Schwarze Löcher in Betracht gezogen, die durch ihre enorme Anziehung die Materie in ihrer Umgebung aufheizen. Die dadurch ausgesandte Strahlung wäre – im Gegensatz zu Sternen früher Galaxien – zumindest theoretisch in der Lage, Wasserstoffgas zu ionisieren.

Richard Ellis der Europäischen Südsternwarte ESO schlug daher eine Kombination beider Theorien vor: Während die erste Generation junger Sterne die Reionisierung (Aufspaltung) des Wasserstoffgases in Gang setzte und mehrere Hundert Millionen Jahre antrieb, konnten sich supermassereiche Schwarze Löcher so weit entwickeln, dass sie schließlich die aussterbende erste Sterngeneration ablösten und die Wasserstoffatome spalteten.

Erst etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall kam diese Reionisierung zum Stillstand und das Universum wurde durchlässig für Licht, sodass wir es heute in all seinen prächtigen Facetten sehen.

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