Charting the expansion of the Universe from z$\sim$0 to z$\sim$14 with HII galaxies

Stellen Sie sich das Universum als einen riesigen, unsichtbaren Ballon vor, der sich seit dem Moment seiner Geburt aufbläht. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler herauszufinden, wie schnell sich dieser Ballon genau ausdehnt und ob sich diese Geschwindigkeit verändert. Um dies zu tun, benötigen sie „Standardkerzen“ – Objekte im Weltraum, deren Leuchtkraft bekannt und vorhersehbar ist. Indem sie vergleichen, wie hell diese Objekte sein sollten und wie hell sie tatsächlich von der Erde aus erscheinen, können Astronomen berechnen, wie weit sie entfernt sind und wie schnell sich der Raum zwischen uns und ihnen dehnt.

Lange Zeit waren die besten Werkzeuge für diese Aufgabe Typ Ia Supernovae (explodierende Sterne) und die Kosmische Mikrowellen Hintergrundstrahlung (das Nachleuchten des Urknalls). Aber diese Werkzeuge haben Grenzen: Supernovae sind im sehr frühen Universum schwer zu sehen, und das Hintergrundleuchten verrät uns nur etwas über den Beginn. Um die gesamte Geschichte der kosmischen Expansion wirklich zu verstehen, brauchten Wissenschaftler ein neues Maß, das bis zur „kosmischen Dämmerung“ reichen konnte – der Ära, als die ersten Sterne gerade erst zu flackern begannen. Hier kommen spezielle Arten von Galaxien, sogenannte H II-Galaxien, ins Spiel. Dies sind chaotische, sternentstehende Geburtsstätten, die mit intensivem Licht leuchten. Wenn ihre Helligkeit und die Geschwindigkeit ihrer Gaswolken auf zuverlässige Weise miteinander verknüpft sind, könnten sie als ein kosmisches Lineal dienen, das von unserer lokalen Nachbarschaft bis zurück zum Anbeginn der Zeit reicht.

---

Das kosmische Lineal, das bis zur Dämmerung reicht

Einem Team von Astronomen ist soeben eine gewaltige Leistung der kosmischen Kartografie gelungen. Sie haben die Expansion des Universums mit einem neuen, superlangen Lineal aus H II-Galaxien kartiert, das von unserem lokalen Hinterhof bis zu einer Zeit reicht, als das Universum erst einige hundert Millionen Jahre alt war. Diese in MNRAS veröffentlichte Studie erweitert das „Hubble-Diagramm“ – eine Karte, die zeigt, wie die Entfernung mit der Rotverschiebung (wie stark das Licht eines Objekts gedehnt wurde) zusammenhängt – auf eine rekordverdächtige Rotverschiebung von $z \sim 14$.

Um zu verstehen, was sie getan haben, stellen Sie sich einen Musiker vor, der versucht, eine Gitarre zu stimmen. Wenn Sie wissen, dass eine bestimmte Saite mit einer bestimmten Geschwindigkeit schwingen muss, um einen bestimmten Ton zu erzeugen, können Sie allein durch das Hören der Tonhöhe feststellen, ob die Saite locker oder straff ist. Im Universum sind H II-Galaxien wie diese Gitarrensaiten. Sie sind intensive Phasen der Sternentstehung, in denen massereiche, junge Sterne Energie ausstoßen und so leuchtende Gaswolken erschaffen. Die Arbeit stützt sich auf eine bekannte Beziehung zwischen der Leuchtkraft (wie hell die Galaxie ist) und der Geschwindigkeitsdispersion (wie schnell das Gas im Inneren herumwirbelt). Je schneller sich das Gas bewegt, desto heller tendiert die Galaxie zu sein.

Das Team sammelte eine massive Stichprobe von 243 dieser Galaxien. Sie schlossen 36 „Anker“-Galaxien in der Nähe ein, deren Entfernungen bereits durch andere Methoden (wie die Messung der Helligkeit spezifischer Sterntypen) bekannt waren. Dann fügten sie 107 lokale H II-Galaxien hinzu sowie eine große Menge entfernter Objekte, die vom James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) und dem ALMA-Radioteleskop beobachtet wurden. Einige dieser neuen Ziele sind so weit entfernt, dass ihr Licht seit über 13 Milliarden Jahren unterwegs ist und ihren Ursprung in der Zeit der „kosmischen Dämmerung“ hat.

Die große Entdeckung: Die Regeln haben sich nicht geändert

Der spannendste Teil der Arbeit ist das, was sie fanden, als sie die ältesten, am weitesten entfernten Galaxien betrachteten. Eine Zeit lang gab es die Sorge, dass die „Gitarrensaite“ im Laufe der Zeit ihren Ton ändern könnte. Einige Forscher hatten suggeriert, dass diese Galaxien im frühen Universum möglicherweise anders reagieren könnten, was die Beziehung zwischen ihrer Geschwindigkeit und ihrer Helligkeit flacher oder gebrochen machen würde. Wäre dies der Fall gewesen, wäre die Verwendung von ihnen als Lineal für das frühe Universum so, als würde man versuchen, ein Zimmer mit einem Gummiband zu messen, das sich am Morgen anders dehnt als am Abend.

Diese Arbeit zeigt jedoch, dass die Regeln sich überhaupt nicht geändert haben. Die Autoren fanden heraus, dass die Beziehung zwischen Helligkeit und Gasgeschwindigkeit absolut solide bleibt, selbst für Galaxien bei Rotverschiebungen so hoch wie $z \sim 14$. Ob sie nun Galaxien in der Nähe oder solche aus der Zeit der Dämmerung betrachteten – der „Ton“ war derselbe. Die Daten zeigen keine Anzeichen dafür, dass sich die Physik, die diese Sternentstehungsregionen steuert, über die letzten 98 % der Geschichte des Universums signifikant entwickelt hat. Dies ist eine große Sache, denn es bedeutet, dass H II-Galaxien ein zuverlässiges, unabhängiges Mittel sind, um kosmische Entfernungen über fast die gesamte Lebensdauer des Universums hinweg zu messen.

Was uns dies über Dunkle Energie verrät

Mit diesem zuverlässigen Lineal in der Hand berechnete das Team die Expansionsgeschichte des Universums. Sie testeten verschiedene Modelle der Expansion des Universums und untersuchten dabei speziell die Dunkle Energie, jene mysteriöse Kraft, die die Expansion beschleunigt.

Unter Verwendung eines Standardmodells namens $\Lambda$CDM (das davon ausgeht, dass Dunkle Energie eine konstante Kraft ist), berechneten sie die Hubble-Konstante ($h$) und die Materiedichte ($\Omega_m$). Ihre Ergebnisse lauten:

• $h = 0,725 \pm 0,040$
• $\Omega_m = 0,308^{+0,043}_{-0,053}$

Sie testeten auch Modelle, in denen die Dunkle Energie im Laufe der Zeit variieren könnte (unter Verwendung der Parameter $w_0$ und $w_a$). Ihre Ergebnisse legen nahe, dass sich die Dunkle Energie sehr ähnlich wie eine Konstante verhält, mit Werten, die konsistent mit dem Standardmodell der Kosmologie sind. Beispielsweise fanden sie $w_0 = -0,96^{+0,53}_{-0,21}$, was sehr nah an dem erwarteten Wert von $-1$ für eine konstante Dunkle Energie liegt.

Warum das wichtig ist

Die Arbeit schließt die Idee explizit aus, dass sich die $L-\sigma$-Beziehung (die Verknüpfung zwischen Helligkeit und Geschwindigkeit) bei hohen Rotverschiebungen signifikant ändert. Die Autoren argumentieren, dass frühere Vorschläge einer „flacheren Steigung“ für ferne Galaxien wahrscheinlich auf begrenzte Datenbereiche zurückzuführen waren und nicht auf eine reale Änderung der Physik. Durch die Bestätigung, dass diese Galaxien im frühen Universum genauso funktionieren wie heute, haben die Autoren einen neuen Weg eröffnet, um unser Verständnis des Kosmos zu testen.

Sie haben nicht nur eine neue Zahl gefunden, sondern eine Methode validiert. Indem sie zeigten, dass H II-Galaxien als „standardisierbare Kerze“ von $z \sim 0$ bis $z \sim 14$ funktionieren, haben sie den Kosmologen ein mächtiges neues Werkzeug gegeben, um zu prüfen, ob unsere aktuellen Theorien über die Expansion des Universums korrekt sind. Die Ergebnisse stimmen eng mit anderen bedeutenden Studien überein, die Supernovae nutzen, was die Vorstellung untermauert, dass unser aktuelles Modell des Universums auf dem richtigen Weg ist, selbst wenn wir in die allerersten Momente der kosmischen Geschichte zurückblicken.

Kurz gesagt: Die Geschichte der Expansion des Universums wird mit einem neuen Stift geschrieben, und bisher sieht die Geschichte von der ersten Seite bis zur letzten konsistent aus. Die „Gitarrensaiten“ des frühen Universums singen dasselbe Lied wie die in unserem Hinterhof, was beweist, dass die fundamentalen Gesetze der Physik seit Milliarden von Jahren stabil geblieben sind.