Hubble liefert neue Hinweise zur Reionisierung des Universums

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Astronomen haben mithilfe des Hubble-Weltraumteleskops der NASA/ESA etwas entdeckt, womit sie nie gerechnet hätten: ultraviolettes Licht aus einer Galaxie, die bereits 1,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall existierte. Diese Galaxie enthält dicht beieinanderliegende junge Sterne, die ionisierendes Licht erzeugen, das das undurchsichtige, neutrale Gas innerhalb und unmittelbar um die Galaxie herum umwandelt und so den Blick freigibt. Dies deutet darauf hin, dass ähnliche Galaxien im frühen Universum dafür verantwortlich waren, den neutralen Nebel aus Wasserstoffgas zu lichten, der einst den Kosmos erfüllte.

Position MXDFz4.4 — Das Bild zeigt die Galaxie MXDFz4.4, rechts vergrößert, im Hubble Ultra Deep Field (HUDF), aufgenommen sowohl mit der Advanced Camera for Surveys (ACS) des Hubble-Weltraumteleskops als auch mit der NIRCam (Nahinfrarotkamera) des James-Webb-Weltraumteleskops. Credit: NASA, ESA, STScI, I. Goovaerts, M. Rafelski, A. Koekemoer (STScI). Image Processing: A. Pagan (STScI)

Die unter der Bezeichnung MXDFz4.4 katalogisierte Galaxie existierte am Ende der Ära der Reionisation, einer Zeit des Umbruchs in unserem Universum. Während der ersten rund eine Milliarde Jahre des Kosmos war das Gas zwischen Sternen und Galaxien für energiereiches ultraviolettes Licht undurchsichtig. Im Laufe der Zeit wurde das Gas überall transparent oder ionisiert. Dieser Übergang vollzog sich nicht abrupt, sondern dauerte vermutlich Hunderte von Millionen Jahren. Forscher sammeln weiterhin Beweise, um diesen Prozess vollständig zu verstehen. Deshalb stellt MXDFz4.4 einen wichtigen Präzedenzfall dar.

Ein Artikel, der diese Entdeckung beschreibt, wurde am 23. Juni 2026 im Astrophysical Journal veröffentlicht.

„Die Beobachtung einer solchen Galaxie galt lange als unmöglich“, sagte Hauptautor Ilias Goovaerts, Postdoktorand am Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore. „Forscher gingen davon aus, dass der ‚Nebel‘ aus neutralem Wasserstoff, der das frühe Universum erfüllte, zu dicht sei und unsere Sicht auf ihr ionisierendes Licht verdecken würde. Hubble hat dieses Licht nicht nur entdeckt, sondern auch unglaubliche Details über die Eigenschaften der Galaxie enthüllt.“

Große „Flucht“ des Lichts

Junge, massereiche Sterne strahlen ultraviolettes Licht aus, das Wasserstoffatome ionisieren kann. Während dieses Licht über 12 Milliarden Jahre lang unterwegs war, um das Hubble-Teleskop zu erreichen, dehnte sich der Weltraum aus, und das Licht wurde gestreckt bzw. rotverschoben [1] in sichtbares Licht. Der Wellenlängenbereich des Hubble-Teleskops, kombiniert mit der Empfindlichkeit und Auflösung seines standorts im Weltraum, macht es zum einzigen Teleskop, das dieses ultraviolette Licht aus dem frühen Universum erfassen kann.

„Astronomen haben viele Galaxien entdeckt, die zu diesem Zeitpunkt in der Geschichte des Universums existierten, aber wir haben von keiner von ihnen ionisierende Photonen [2] nachgewiesen, was MXDFz4.4 zu einem Unikat macht“, sagte Marc Rafelski, Mitautor und stellvertretender Hubble-Missionsleiter am STScI.

Die Langzeitbelichtungen des Hubble-Teleskops, die aus mehreren bestehenden Durchmusterungen stammen, zeigten, dass die jungen, massereichen Sterne der Galaxie die Quelle des ultravioletten Lichts sind, das den umgebenden Raum aufhellte. Diese Sterne entstanden in den letzten Millionen Jahren der Existenz von MXDFz4.4 in Schüben und sind dicht beieinander angeordnet. Dieser Verdichtungseffekt wird noch verstärkt, da MXDFz4.4 etwa 100-mal kleiner ist als unsere Milchstraße, aber zehnmal schneller Sterne bildet.

„Viele junge, heiße, massereiche Sterne auf kleinem Raum können undurchsichtiges Gas besser durchdringen“, sagte Goovaerts. Die Forscher schätzen, dass 50 bis 100 % des energiereichen, ionisierenden Lichts der jungen Sterne aus dem umgebenden Gas entweicht.

Die Lebensdauer massereicher Sterne spielt ebenfalls eine Rolle, da sie nur wenige Millionen Jahre existieren. Viele explodieren als Supernovae, setzen dabei gigantische Energiemengen frei und reißen riesige Löcher, durch die noch mehr Licht entweichen kann.

Zusammenarbeit mit anderen Observatorien

Hubble hätte dies nicht allein leisten können. Diese Schlussfolgerungen werden durch Daten gestützt, die vom James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA im nahen Infrarotbereich und vom MUSE eXtremely Deep Field (MXDF), dem Namensgeber der Galaxie, aufgenommen wurden und vom Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte im sichtbaren Licht erfasst wurden. Das Team nutzte Webbs Daten, um die Masse der Galaxie zu bestimmen, ihre älteren Sterne zu analysieren und ihre Sternentstehungsgeschichte zu rekonstruieren. Die älteren Sterne der Galaxie sind masseärmer und kühler und daher nicht für die Veränderung des umgebenden Gases verantwortlich.

Ein Vergleich der Daten von Hubble und Webb zeigte zudem, dass die jüngste Sternentstehung in Schüben stattfand. Daten des VLT bestimmten außerdem genau, wann MXDFz4.4 existierte: 1,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Vor dieser Entdeckung hatten Forscher lediglich eine Galaxie identifiziert, die ionisiertes Licht aus einer Zeit aussandte, als das Universum 1,6 Milliarden Jahre alt war. Es wurden nur wenige weitere Beispiele identifiziert, die existierten, als das Universum etwa 2 Milliarden Jahre alt war. MXDFz4.4 bringt die Forscher näher an fundierte Schlussfolgerungen darüber, wie sich die Ära der Reionisation vollzog.

„Diese Erkenntnisse über MXDFz4.4 wurden durch die leistungsstarke Kombination von Hubble, Webb und dem VLT ermöglicht“, sagte Koautor Alexander Beckett, Postdoktorand am Laboratoire d’Astrophysique de Marseille. „Selbst dann konnten wir die Eigenschaften dieser bemerkenswerten Galaxie nur mithilfe modernster Analysesoftware messen, die hauptsächlich in Marseille entwickelt wurde.“

Unser Wissen erweitern

Die Erforschung der Ära der Reionisierung ist ein jahrzehntelanges Unterfangen. Forscher nutzen Statistiken über Sternpopulationen in nahen Galaxien, die wir sehr detailliert beobachten können, um fundierte Annahmen darüber zu treffen, was in Galaxien im frühen Universum vor sich gehen könnte, unter anderem, weil deren Sternpopulationen zu weit entfernt sind, um sie im Detail aufzulösen.

Im Jahr 2023 zeigten Forscher mithilfe des Webb-Teleskops, dass die Sterne von Galaxien 900 Millionen Jahre nach dem Urknall genug Licht ausstrahlten, um das Gas um sie herum zu erwärmen und zu ionisieren. Dies war ein Durchbruch, doch Astronomen benötigen Galaxien wie MXDFz4.4, um den Ablauf dieses Prozesses vollständig zu erklären, da sie zeigen, wie das hochenergetische Licht junger Sterne es schaffte, dem Gas und Staub innerhalb der Galaxie selbst zu entweichen.

Es ist möglich, dass noch andere Galaxien wie MXDFz4.4 darauf warten, entdeckt zu werden.

„Die Hubble-Beobachtungen von MXDFz4.4 ermöglichen es uns, unsere Hypothesen viel näher am Zeitalter der Reionisation zu überprüfen als je zuvor“, sagte Rafelski. „Die Entdeckung weiterer Galaxien, insbesondere aus etwas späteren kosmischen Zeiträumen, in denen größere Stichproben in Reichweite liegen, würde es uns ermöglichen, diese Messungen zu verfeinern und herauszufinden, was unseren Blick freimachte, als dieses Zeitalter zu Ende ging.“

Anmerkungen

[1] Wenn Licht aus großer Entfernung zu den Spiegeln des Hubble-Teleskops gelangt, wird es aufgrund der Expansion des Universums immer weiter in den roten Bereich verschoben – eine sogenannte kosmologische Rotverschiebung. Astronomen können bekannte Merkmale im Spektrum eines Objekts untersuchen, um festzustellen, ob sie von ihrer normalen Position im Spektrum verschoben sind. Die Differenz zwischen ihrer normalen und ihrer neuen Position wird als kosmologische Rotverschiebung bezeichnet. Da Raum und Zeit miteinander verbunden sind, liegen entfernte Objekte mit zunehmender Rotverschiebung zeitlich weiter zurück, da ihr Licht so lange benötigt, um uns zu erreichen. Neben der Messung der Expansion des Universums kann Hubble mit seinen Detektoren auch Licht von frühen Galaxien vor Milliarden von Jahren empfangen.

[2] Ein Photon ist ein Elementarteilchen, das die kleinste Lichtmenge (ein Quant) darstellt und Träger (Eichboson) der elektromagnetischen Kraft ist. Photonen haben keine Ruhemasse, keine elektrische Ladung, bewegen sich im Vakuum stets mit Lichtgeschwindigkeit und besitzen eine Energie, die dem Produkt aus ihrer Strahlungsfrequenz und dem Planckschen Wirkungsquantum entspricht.