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Neue Heliumdaten schärfen den Blick auf den frühen Urknall
Wie viel Helium beim Urknall entstand, ist ein wichtiger Test für die Physik des frühen Universums, doch schon kleine Messfehler erschweren den Vergleich mit kosmologischen Modellen. Neue Nahinfrarot-Spektren von 48 metallarmen Galaxien begrenzen nun wichtige Unsicherheiten bei der Heliumbestimmung und schaffen eine verlässlichere Grundlage für spätere Berechnungen des primordialen Heliums.
Columbus (U.S.A.). Direktes Licht aus den ersten Minuten nach dem Urknall kann kein Teleskop auffangen, weshalb Forscher diese Epoche unter anderem über die Häufigkeit leichter Elemente rekonstruieren, die damals entstanden. Besonders hilfreich sind sehr metallarme Galaxien, deren Gas chemisch vergleichsweise wenig durch frühere Sterngenerationen verändert wurde und deshalb Spuren der ursprünglichen kosmischen Zusammensetzung bewahrt.
Bei solchen Objekten ist die Heliumhäufigkeit jedoch nur so zuverlässig wie die Bestimmung von Temperatur und Dichte des leuchtenden Gases. Wasserstoff- und Heliumlinien im sichtbaren Licht lassen verschiedene Kombinationen beider Größen zu, die zu ähnlich guten Lösungen führen können und dadurch die Heliumanalyse systematisch unsicher machen.
Ein internationales Team hat deshalb mit den beiden LUCI-Nahinfrarotspektrografen des Large Binocular Telescope (LBT) Spektren von 48 metallarmen H-II-Regionen aufgenommen, um eine besonders dichteempfindliche Heliumlinie systematisch auszunutzen. Im Zentrum steht He I bei 10.830 Ångström, deren Stärke empfindlich auf die Elektronendichte reagiert und dadurch hilft, die Dichte genauer einzugrenzen, während optische Linien allein mehrere Lösungen zulassen können.
Die Forscher messen diese Heliumlinie relativ zur nahe gelegenen Wasserstofflinie Paschen-Gamma. Weil beide Wellenlängen dicht beieinanderliegen, beeinflussen interstellarer Staub und Unsicherheiten der Flusskalibrierung ihr Verhältnis deutlich weniger als weiter voneinander entfernte Linien. So ergänzt die Nahinfrarotmessung die optischen Spektren genau an einer Stelle, an der Temperatur und Dichte sonst nur schwer voneinander zu trennen sind.
„Die Bedeutung der galaktischen Archäologie kann kaum überschätzt werden. Die Sterne sind in uns, und mehr über sie zu lernen hilft uns, unseren Platz im Universum zu bestimmen“, sagt Miqaela Weller, Erstautorin der Studie und Doktorandin der The Ohio State University (OSU).
Für die Auswertung hat das Team alle Nahinfrarotdaten mit derselben Softwarepipeline verarbeitet und die einzelnen Beobachtungen nach einem einheitlichen Verfahren zusammengeführt. Besonders wichtig waren eine sorgfältige Wellenlängenkalibrierung anhand heller OH-Linien des Nachthimmels und die Korrektur der Absorption durch die Erdatmosphäre, die im Nahinfraroten erhebliche Verzerrungen verursachen kann.
Das Resultat ist ein homogener Datensatz, der die Zahl hochwertiger Messungen der Heliumlinie bei 10.830 Ångström in metallarmen Galaxien deutlich erhöht. Die gemessenen Verhältnisse von He I zu Paschen-Gamma folgen den aus Atomdaten erwarteten Trends und stimmen insgesamt mit früheren Untersuchungen überein, während der Median der Unsicherheit dieses Linienverhältnisses bei 0,08 liegt.
In Vergleichsdaten früherer Arbeiten lagen einzelne Objekte in einem Bereich, der für realistische physikalische Bedingungen nicht zu erwarten ist, bei den 48 neuen LBT-Messungen trat ein solcher Fall dagegen nicht auf. Damit wächst nicht nur die Stichprobe, sondern auch die Möglichkeit, systematische Fehler in späteren Heliumanalysen gezielt zu erkennen und von tatsächlichen astrophysikalischen Effekten zu trennen.
„Mit dieser spannenden Messung haben wir etwas Grundlegendes über das Universum gelernt“, sagt Richard Pogge, Professor für Astronomie an der OSU und Mitautor der Studie.