Reionisierung

Die Reionisierung (Epoch of Reionization, EoR) ist eine der großen Phasenübergänge in der Geschichte des Universums. Etwa 200 Millionen bis 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall ionisierte die ultraviolette Strahlung der ersten Sterne und Galaxien den neutralen Wasserstoff, der seit der Rekombination (380.000 Jahre nach dem Urknall) das Universum durchzog.

Der Prozess verlief nicht gleichmäßig, sondern in Blasen: Jede frühe Galaxie erzeugte eine ionisierte Blase in ihrer Umgebung, die mit der Zeit wuchs und mit benachbarten Blasen verschmolz, bis das gesamte intergalaktische Medium ionisiert war.

Das James Webb Space Telescope hat die Erforschung dieser Epoche revolutioniert. Es beobachtete Galaxien bei Rotverschiebung z > 10 (weniger als 500 Millionen Jahre nach dem Urknall) und identifizierte Quasare, deren Spektren den Gunn-Peterson-Trog zeigen, eine vollständige Absorption durch neutralen Wasserstoff, die anzeigt, dass die Reionisierung bei z ≈ 6 (1 Milliarde Jahre nach dem Urknall) abgeschlossen war.

Die Reionisierung markiert den Übergang vom dunklen, neutralen Universum zum transparenten, ionisierten Universum, das wir heute beobachten.

Gerade die Frage, welche Quellen das gesamte Universum reionisiert haben, ist bis heute nicht abschließend geklärt und gehört zu den spannendsten Themen der frühen Kosmologie. Lange galten leuchtkräftige Quasare, also aktive supermassereiche Schwarze Löcher, als Hauptantrieb, doch ihre Zahl im frühen Universum reicht dafür wahrscheinlich nicht aus. Die JWST-Beobachtungen verschieben das Bild zugunsten unzähliger kleiner, lichtschwacher Zwerggalaxien, deren geballte ultraviolette Strahlung das ionisierende Budget liefern könnte, sofern genügend dieser Strahlung überhaupt aus den Galaxien entweicht. Genau dieser Entweichanteil ist eine der großen Unbekannten. Die Reionisierung ist damit nicht nur ein abstrakter Phasenübergang, sondern ein Fenster, durch das sich die allerersten Bausteine kosmischer Struktur studieren lassen. Künftige Radiokartierungen der 21-Zentimeter-Linie sollen das blasenförmige Aufleuchten des Universums direkt abbilden und zeigen, wie sich die ionisierten Regionen ausbreiteten, bis aus dem neutralen Nebel das durchsichtige Universum von heute wurde.