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Das „Nachglühen“ des Universums gilt als wichtiger Beleg für den Urknall. Zudem liefert diese Hintergrundstrahlung wichtige Antworten auf die Frage, wie sich die ersten Galaxien bilden konnten. Forschenden der Universitäten Bonn, Prag und Nanjing zufolge wurde die Stärke der Strahlung bislang jedoch vermutlich überschätzt. Sollten sich die Ergebnisse bewahrheiten, würden sie das Theoriegebäude der Kosmologie - das Standardmodell - in Frage stellen. Die Ergebnisse sind nun in der Fachzeitschrift Nuclear Physics B erschienen.
Vor 13,8 Milliarden Jahren entstanden aus dem Nichts Zeit, Raum und Materie. Der Urknall markiert den Beginn unseres Universums - so besagt es zumindest das Standardmodell der Kosmologie. 380.000 Jahre nach dem Big Bang hatte sich das All bereits weit ausgedehnt und dabei erheblich abgekühlt. Nun erst konnten sich Elektronen und Protonen zu elektrisch neutralem Wasserstoff zusammenfinden. Dadurch wurde das Universum lichtdurchlässig, da die Photonen nicht mehr mit der Materie Energie austauschen konnten. Das war die Geburtsstunde der kosmischen Hintergrundstrahlung.
Mit hochempfindlichen Teleskopen lässt sie sich bis heute nachweisen. Da sie fast 13,8 Milliarden Jahre bis zu uns unterwegs ist, erlaubt sie einen Blick in die Geburtsstunden des Alls. „Unseren Berechnungen zufolge könnte es aber sein, dass diese Hintergrundstrahlung gar nicht existiert“, erklärt Prof. Dr. Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn und der Karls-Universität Prag. „Zumindest sind wir davon überzeugt, dass sie hinsichtlich ihrer Stärke überschätzt wurde.“
Gewaltiges Sternenfeuer überlagert die Hintergrundstrahlung
Der Physiker hat mit der Nachwuchswissenschaftlerin Dr. Eda Gjergo von der Universität Nanjing in China eine bestimmte Gruppe von Galaxien untersucht, die man als elliptisch bezeichnet. „Das Universum dehnt sich seit dem Urknall aus, wie ein Hefeteig, der aufgeht“, sagt Kroupa. „Dadurch vergrößert sich der Abstand zwischen den Galaxien stetig. Wir haben gemessen, wie weit elliptische Galaxien heute voneinander entfernt sind. Auf dieser Basis und unter Berücksichtigung ihrer Eigenschaften konnten wir dann aus der Expansions-Geschwindigkeit zurückrechnen, wann sie entstanden sind.“
Schon zuvor war bekannt, dass elliptische Galaxien die ersten Galaxien waren, die sich im jungen Universum gebildet haben. Bei ihrer Geburt verklumpten große Mengen von Gas zu vielen hundert Milliarden Sternen. „Unsere Ergebnisse zeigen nun, dass das Ganze nur einige hundert Millionen Jahre dauerte - das ist nach kosmologischen Maßstäben kurz“, betont Dr. Gjergo. „In dieser Zeit erzeugten die Nuklear-Reaktionen in den sich entzündenden Sternen eine enorme Leuchtkraft.“ Zusammen mit Kroupa hat sie die Stärke dieses frühen Sternenfeuers berechnet. Es muss demnach so hell gelodert haben, dass man es heute ebenfalls noch detektieren kann. „Unsere Berechnungen deuten daher darauf hin, dass ein Teil der kosmischen Hintergrundstrahlung eigentlich aus der Entstehung der elliptischen Galaxien stammt“, sagt Gjergo. „Und zwar mindestens 1,4 Prozent, möglicherweise aber sogar die gesamte Strahlungsmenge.“
Ungleichheit schafft Galaxien
Selbst wenn es nur 1,4 Prozent wären, hätte diese Vermutung große Konsequenzen für das Standardmodell. Denn Messungen der letzten Jahrzehnte haben gezeigt, dass die Hintergrundstrahlung nicht völlig gleichmäßig ist. Stattdessen gibt es in ihrer Intensität sehr kleine Unterschiede, je nachdem, in welche Richtung man schaut. Forschende werten diese Beobachtung bislang als Beleg dafür, dass das Materiegas kurz nach dem Urknall nicht gleichmäßig verteilt war. Stattdessen war sie an einigen Stellen minimal dichter als an anderen. Das ist auch der Grund dafür, dass sich überhaupt Galaxien bilden konnten: Die dichteren Stellen wirkten als Kondensationspunkte, an denen sich das Gas unter dem Einfluss der eigenen Gravitation zu Sternen verdichtete.
Ohne diese anfängliche Ungleichverteilung gäbe es uns also wahrscheinlich nicht. Die Schwankungen in der Hintergrundstrahlung, die die Basis dieser These bilden, betragen allerdings nur wenige tausendstel Prozent. Wie zuverlässig können diese Messwerte aber sein, wenn die elliptischen Galaxien (die ebenfalls nicht gleichmäßig verteilt sind) mindestens 1,4 Prozent zur der gemessenen Strahlungsmenge beitragen? „Unsere Ergebnisse sind für das Standardmodell ein Problem“, meint Kroupa daher. „Vielleicht muss die Geschichte des Universums zumindest in Teilen neu geschrieben werden.“
Beteiligte Institutionen und Förderung:
An der Studie waren die Universität Bonn, die Karls-Universität Prag und Universität Nanjing in China beteiligt. Die Arbeiten wurden teilweise von der National Natural Science Foundation of China und dem DAAD Eastern Europe Exchange Programme an den Universitäten Bonn und Prag gefördert.
Dr. Eda Gjergo
Nanjing University
Tel. +86-25-89681240
Email: eda.gjergo@nju.edu.cn
Prof. Dr. Pavel Kroupa
Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Unniversität Bonn
Tel. 0228/73-6140
E-Mail: pkroupa@uni-bonn.de
Eda Gjergo, Pavel Kroupa: The Impact of Early Massive Galaxy Formation on the Cosmic Microwave Background; Nuclear Physics B; DOI:
https://doi.org/10.1016/j.nuclphysb.2025.116931
arXiv: https://arxiv.org/abs/2505.04687
Die Riesen-Elliptische-Galaxie ESO 325-G004 strahlte zum Zeitpunkt ihres Entstehens 10.000mal heller ...
J. Blakeslee
NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA); J. Blakeslee (Washington State University)
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, jedermann
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
Die Riesen-Elliptische-Galaxie ESO 325-G004 strahlte zum Zeitpunkt ihres Entstehens 10.000mal heller ...
J. Blakeslee
NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA); J. Blakeslee (Washington State University)
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