Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein des Kosmos. Ob auf seinen geladenen Kern reduziert oder zu einem Molekül aufgeschichtet: Die Art seines Vorhandenseins kann viel über die Eigenschaften unseres Universums aussagen. Aus diesem Grund sind Astronomen auch sehr daran interessiert, Signale dieses Elements aufzuspüren. Nun ist es einem internationalen Forscherteam mithilfe des Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) in Pune, Indien, gelungen, ein von atomarem Wasserstoff ausgesandtes Radiosignal einer weit entfernten Galaxie bei einer bestimmten Wellenlänge, der sogenannten 21-cm-Linie, abzufangen. Was den Astronomen einen Blick in die Geheimnisse des frühen Universums ermöglicht.
"Eine Galaxie sendet verschiedene Arten von Radiosignalen aus", wird der Kosmologe Arnab Chakraborty von der McGill University in Kanada in einer Pressemitteilung der Universität zitiert. Und weiter:
"Bisher war es nur möglich, dieses spezielle Signal von einer nahe gelegenen Galaxie zu erfassen, was unser Wissen auf die Galaxien beschränkt, die näher an der Erde liegen."
Dank des sogenannten Gravitationslinseneffekts sei es den Forschern diesmal jedoch gelungen, das aus einer weit entfernten Galaxie namens SDSSJ0826+5630 stammende 8,8 Milliarden Jahre alte Emissionssignal des atomaren Wasserstoffs einzufangen.
Wasserstoff ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum, es findet sich in Form eines einzelnen Atoms oder in Form eines Moleküls. Atomarer Wasserstoff entsteht, wenn heißes, ionisiertes Gas aus der Umgebung einer Galaxie auf ebendiese Galaxie zu fallen beginnt und dabei abkühlt. Schließlich verwandelt das Gas sich in molekularen Wasserstoff, und dann in Sterne. Beim Wechsel seines Quantenzustands kann der atomare Wasserstoff ein bestimmtes Licht aussenden, das als 21-Zentimeter-Linie bekannt ist – eine besondere Wellenlänge eines Radiosignals. Und bei dem nun entdeckten Signal handelt es sich um eine solche Lichtwelle mit einer Länge von 21 Zentimetern.
Um die Entwicklung von Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit zu verstehen, muss man die Entwicklung von neutralem Gas in verschiedenen kosmologischen Zeiträumen verfolgen. Atomarer Wasserstoff sendet Radiowellen mit einer Wellenlänge von 21 cm aus. Was bedeutet, dass die Wellenlänge ein direkter Indikator für den Gehalt an atomarem Gas in nahen und fernen Galaxien ist. Lange Wellen sind jedoch nicht sehr energiereich, und das Licht ist auch nicht sehr intensiv, sodass es aus der Ferne nur schwer zu erkennen ist.
Die Galaxie, die vor dem jetzigen Fund zu dem am weitesten entfernten Sternensystem erklärt worden war, wies eine Rotverschiebung von 0,376 auf. Was einer Rückblickzeit (der Zeit, die zwischen der Entdeckung des Signals und seiner ursprünglichen Emission verstrichen ist) von 4,1 Milliarden Jahren entspricht. Die Rotverschiebung gibt die Änderung der Wellenlänge des Signals in Abhängigkeit von der Position und der Bewegung des Objekts an – ein größerer Wert bedeutet, dass das Objekt weiter entfernt liegt. Das von dem Team nun neu entdeckte Signal wurde demgegenüber bereits ausgesendet, als das Universum erst 4,9 Milliarden Jahre alt war. Mit anderen Worten, die Rückblickzeit für diese Quelle beträgt 8,8 Milliarden Jahre.
Um das Signal aufzuspüren, untersuchte das Team das Licht, das aus sehr großer Entfernung zu uns kommt. Stehen aus Sicht der Erde zwei Galaxien genau in einer Linie hintereinander, wird das Licht der entfernteren, also der Lichtquelle, durch die Gravitation der näheren Galaxie verstärkt und verzerrt. Die nähere Galaxie wirkt dann als "Gravitationslinse". Auf der Erde sehen Astronomen das dahinter liegende Objekt dann verzerrt, vergrößert und zum Teil deutlich verstärkt.
"In diesem speziellen Fall wird das Signal durch das Vorhandensein eines anderen massiven Körpers, einer anderen Galaxie, zwischen dem Ziel und dem Beobachter gekrümmt", erklärte der Astrophysiker Nirupam Roy vom Indian Institute of Science. "Dies führt zu einer Vergrößerung des Signals um den Faktor 30, sodass das Teleskop es auffangen kann."
Darüber hinaus stellte das Team bei der Auswertung der Daten fest, dass die Masse des atomaren Wasserstoffs in dieser fernen Galaxie fast doppelt so hoch ist wie die Masse des Sterns. "Diese Ergebnisse zeigen, dass die Beobachtung von atomarem Gas aus Galaxien in kosmologischen Entfernungen in ähnlichen Linsensystemen mit einem bescheidenen Beobachtungsaufwand möglich ist", hieß es in der Erklärung abschließend.
Die Astronomen sind daher zuversichtlich, in naher Zukunft weitere ähnliche Beobachtungen machen zu können – zumindest wenn die Sterne günstig stehen.
Mehr zum Thema -In geringer Entfernung zur Erde: Wissenschaftler entdecken zwei potenziell bewohnbare Exo-Erden