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Die ersten Milliarden Jahren des Universums

Das Universum entwickelte sich innerhalb einer relativ kurzen kosmischen Zeit aus einem einzigen Punkt im Raum zu einem System von Sternen und Galaxien. Erstmals lassen sich nun mithilfe von Modellen einige dieser Abläufe beschreiben.
Die ersten Milliarden Jahren des Universums
Als Urknall wird die schnelle und gewaltsame Expansion bezeichnet, die als Geburtsstunde unseres Universums gilt. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts 'The birth of the first stars and galaxies' (GALAXIES BIRTH) haben Wissenschaftler jetzt Simulationen der ersten Milliarden Jahre dieser Expansion mit einer bisher unerreichten Auflösung entwickelt.

Das übergeordnete Ziel bestand darin, die Theorie von der Existenz von Population-III-Sternen (POP III) zu überprüfen: Diese hypothetischen ersten Sterne bestanden ganz aus Urgas, das wiederum hauptsächlich Wasserstoff und Helium enthielt. POP-II-Sterne haben zusätzliche Elemente, wenn auch nicht in hohen Anteilen, während POP-I-Sterne hohe Anteile anderer Elemente als Wasserstoff und Helium besitzen.

Die Bildung von Sternen kann anhand der ursprünglichen Moleküle und Ionen im Universum erforscht werden. Das ionisierte Gas, das in den ersten 300.000 Jahre das Universum bildete, machte dann Platz für das neutrale intergalaktisch Medium (IGM), das bis etwa 500 Millionen Jahre nach dem Urknall bestehen konnte. Danach dauerte bis rund 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall eine Phase der Reionisation, in der die ersten Sterne und Galaxien entstanden, wahrscheinlich durch Ionisierung des neutralen Wasserstoffs im IGM.

Die Wissenschaftler von GALAXIES BIRTH nutzten ultra-hochauflösende Modelle der geglätteten (smoothed) Partikelhydrodynamik (SPH). Mit den Projektergebnissen ließ sich erstmals der Reionisationsanteil an Wasserstoff während der Reionisationsphase stimmig berechnen, ein Meilenstein in der Geschichte des Universums im Zusammenhang mit der Entstehung der ersten Lichtquellen. Erstmals konnte auch der selbstregulierende Charakter der Sternbildung gezeigt werden, insbesondere die Rolle von molekularem Wasserstoff dabei. Das Projekt lieferte neue Einblicke in Bezug auf den Übergang von der POP-II- zur POP-III-Sternbildung und auf die Bildung von massiven schwarzen Löchern sowie dunkler Materie.

Die Modelle aus dem Projekt liefern die ersten Beschreibungen der ersten Milliarden Jahre des Universums. Ein besseres Verständnis von der Bildung der ersten galaktischen Strukturen wird zu Vorhersagen und Beobachtungen für kommende Satellitenmissionen führen, um sicherzustellen, dass die Zeit im Weltraum gut genutzt wird.

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Fachgebiete

Scientific Research
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