Echo aus der Finsternis: "21-Zentimeter-Signal" verrät die ersten Sterne

Am Anfang: nur dunkel. Erst als die allerersten Sterne zündeten, begann das Universum zu leuchten. Doch bis heute ist unklar, wie diese Ursterne aus­sa­hen. Ihre Strahlung war der erste große Um­bruch in der Entwicklung des Alls. Jetzt hat man sie eingefangen.

Unsichtbare Ursterne: Was das 21-cm-Signal verrät

Lange, bevor Galaxien entstanden, war das Universum kalt, dunkel und voller Wasserstoff. Dann begannen die ersten Sterne zu leuchten - ein Wendepunkt, den Astronomen als "Cosmic Dawn" bezeichnen. Doch selbst modernste Teleskope wie James Webb reichen nicht weit genug zurück, um diese Lichtquellen direkt zu erfassen. Eine neue Studie der Universität Cambridge zeigt nun, wie ein unscheinbares Radiosignal aus der Frühzeit des Alls Hinweise auf Masse und Strahlkraft dieser Ursterne liefern kann.

Im Zentrum steht das sogenannte 21-Zentimeter-Signal - eine schwache Strahlung, die von neutralen Wasserstoffatomen ausgesendet wird. Dieses Signal durchzieht das Universum seit rund 13 Milliarden Jahren und trägt Spuren jener Ära, in der Sterne begannen, das interstellare Gas aufzuheizen. Wie die jetzt im Fachjournal Nature Astronomy veröffentlichte Modellstudie zeigt, ist das 21-Zentimeter-Signal eng mit der Masse der ersten Sterne verknüpft.

Diese Erkenntnisse basieren auf Simulationen, die die Urbedingungen des Universums berücksichtigen, wie beispielsweise die durch den Urknall entstandene Wasserstoff-Helium-Zusammensetzung.

Warum heißt es 21-Zentimeter-Signal?
Die Cambridge-Forscher um Anastasia Fialkov und Eloy de Lera Acedo haben berechnet, wie sich Sternenlicht - primär ultraviolette Strahlung und Röntgenstrahlen - auf das Wasserstoffsignal auswirkt. Dabei zeigt sich: Besonders wichtig sind sogenannte Röntgendoppelsterne, also Systeme aus einem leuchtenden Stern und einem kollabierten Überrest wie einem Neutronenstern oder Schwarzen Loch. Diese Systeme geben intensive Röntgenstrahlung ab, die das kosmische Wasserstoffgas aufheizt und so das Radiosignal verändert.

Frühere Modelle unterschätzten laut den Autoren die Rolle dieser Röntgendoppelsterne - und damit auch ihren Einfluss auf die kosmische Signalspur. Durch Einbindung realistischer Sternmassen und -verteilungen lässt sich das 21-Zentimeter-Signal künftig präziser interpretieren.

Dieses Signal soll von Teleskopen wie REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen) oder dem entstehenden SKA (Square Kilometer Array) gemessen werden. REACH befindet sich derzeit in Südafrika im Aufbau. Es soll zwar keine Bilder liefern, aber statistisch auswertbare Signale ganzer Sternpopulationen. SKA wird zusätzlich große Himmelsbereiche kartieren und das Signal in räumlicher Auflösung analysieren.


"Unsere Vorhersagen zeigen, dass Radiodaten Aussagen über die Masse der allerersten Sterne erlauben - und darüber, wie anders diese frühen Himmelskörper im Vergleich zu heutigen Sternen gewesen sein könnten", erklärt Acedo. Auch wenn die Objekte selbst unsichtbar bleiben, sollen ihre Spuren im Wasserstoffsignal künftig entschlüsselt werden.


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