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ALMA enthüllt die Geheimnisse eines riesigen Gasklumpens im Weltraum

21.09.2016

Ein internationales Astronomenteam hat mit ALMA sowie dem Very Large Telescope der ESO und weiteren Teleskopen das Rätsel um die Beschaffenheit eines seltenen Objekts im fernen Universum gelöst, eines sogenannten Lyman-alpha-Blobs. Bislang war ungeklärt, warum diese riesigen Wolken aus Gas so hell leuchten, aber mit ALMA wurden nun zwei Galaxien im Zentrum eines dieser Objekte entdeckt, in denen die Sternentstehungsrate so hoch ist, dass die Umgebung zum Leuchten gebracht wird. Diese großen Galaxien wiederum befinden sich im Zentrum einer Ansammlung aus kleineren Galaxien, sodass es scheint, als handele es sich um eine frühe Phase in der Entstehung eines massereichen Galaxienhaufens. Es ist anzunehmen, dass sich diese zwei Galaxien in ferner Zukunft zu einer einzigen riesigen elliptischen Galaxie entwickeln.


Dieses Bild zeigt eine Momentaufnahme einer kosmologischen Simulation eines Lyman-Alpha-Blobs, der LAB-1 ähnelt. Darin wird mit einem der aktuellsten Modelle für Galaxienentstehung, die auf dem Pleiades-Supercomputer der NASA laufen, die Entwicklung von Gas und dunkler Materie simuliert. Auf dem farbcodierten Bild ist die Verteilung von Gas innerhalb des Halos aus Dunkler Materie zu sehen, wobei kaltes Gas (hauptsächlich neutraler Wasserstoff) rot erscheint und heißes Gas weiß. Eingebettet im Zentrum dieses Systems befinden sich zwei Galaxien mit ausgeprägter Sternentstehung, die aber von heißem Gas und vielen kleineren Begleitgalaxien umgeben sind, die hier als kleine rote Klumpen aus Gas erscheinen. Lyman-Alpha-Photonen können der zentralen Galaxie entkommen und am kalten Gas streuen, das zu den Begleitgalaxien gehört, so dass ein ausgedehnter Lyman-Alpha-Blob entstehen kann.

Herkunftsnachweis: J.Geach/D.Narayanan/R.Crain

Lyman-Alpha-Blobs (LABs; vom englischen blob für "Klecks" oder "Klumpen“) sind riesige Wolken aus Wasserstoffgas, die sich über Hunderttausende von Lichtjahren erstrecken können und in großen kosmischen Distanzen zu finden sind. Der Name spiegelt die charakteristische Wellenlänge des ultravioletten Lichts wider, das sie emittieren - Lyman-Alpha-Strahlung [1]. Seit ihrer Entdeckung stellen die Prozesse, durch die sich LABs bilden, für Astronomen ein Rätsel dar. Neue Beobachtungen mit ALMA könnten dieses Rätsel jetzt gelöst haben.

Eine der größten bekannten und am genauesten untersuchten Lyman-Alpha-Blobs ist SSA22-Lyman-Alpha-Blob 1, kurz auch LAB-1 genannt. Es war im Jahr 2000 das erste Objekt dieser Art, das entdeckt wurde. Eingebettet in einen riesigen Galaxienhaufen, der sich noch in der frühen Entstehungsphase befindet, ist es so weit entfernt, dass sein Licht etwa 11,5 Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen.

Einem Astronomen-Team unter der Leitung von Jim Geach vom Centre for Astrophysics Research of the University of Hertfordshire in Großbritannien ist es nun gelungen, tief in LAB-1 hineinzuschauen. Möglich war das aufgrund der einmaligen Fähigkeit des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), Licht aus kalten Staubwolken in weit entfernten Galaxien zu beobachten. Dank der Beobachtungen konnten die Forscher mehrere Emissions-Quellen im Submillimeter-Bereich genau lokalisieren und auflösen [2].

Die ALMA-Aufnahmen kombinierten sie dann mit Beobachtungen des Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), der am Very Large Telescope (VLT) der ESO angebracht ist und mithilfe dessen das Lyman-Alpha-Licht kartiert wurde. Diese Beobachtungen zeigen, dass die von ALMA beobachteten Quellen genau im Herzen des Lyman-Alpha-Blobs liegen, wo die Sternentstehungsrate dem mehr als 100-fachen der Rate der Milchstraße entspricht.

Durch die sogenannte „Deep Imaging“-Methode konnte mit dem NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskop und mit Spektrografen am W.-M.-Keck-Observatorium [3] zudem gezeigt werden, dass die Quellen von zahlreichen lichtschwachen Begleitgalaxien umgeben sind, die für ein beständiges Bombardement von Materie auf die zentralen Objekte sorgen, was zu hohen Sternentstehungsraten führt.

Das Team nutzte daraufhin eine ausgeklügelte Simulation zur Entstehung von Galaxien, um zu demonstrieren, dass die riesige leuchtende und Lyman-Alpha-Strahlung emittierende Wolke dadurch erklärt werden kann, dass ultraviolettes Licht, das durch Sternentstehung in den beobachteten Objekten entsteht, am umgebenden Wasserstoffgas gestreut wird. Dadurch würde ein Lyman-Alpha-Blob entstehen, so wie wir ihn sehen.

Jim Geach, der Erstautor der neuen Studie, erklärt: „Der Effekt ist vergleichbar mit Straßenlicht in einer nebligen Nacht — man sieht ein diffuses Leuchten, weil das Licht an den winzigen Wassertröpfchen gestreut wird. Etwas Ähnliches passiert hier, nur, dass das Straßenlicht eine Galaxie mit intensiver Sternentstehung und der Nebel eine riesige Wolke aus intergalaktischem Gas darstellt. Diese Galaxien bringen ihre Umgebung zum Leuchten.“

Für Astronomen ist es auch heute noch eine große Herausforderung zu verstehen, wie Galaxien sich bilden und entwickeln. Sie gehen davon aus, dass Lyman-Alpha Blobs dabei eine große Rolle spielen, da es sich bei diesen Objekten um Orte zu handeln scheint, an denen die massereichsten Galaxien im Universum entstehen. Insbesondere ihr großflächiges Leuchten liefert Information darüber, was in den primordialen Gaswolken passiert, die junge Galaxien umgeben, eine Region, die nur schwer erforscht werden kann, deren Verständnis aber entscheidend ist.

Jim Geach folgert: „Aufregend an diesen Blobs ist, dass wir einen flüchtigen Blick darauf werfen können, was um diese jungen und wachsenden Galaxien passiert. Der Ursprung des Lyman-Alpha-Lichts, das sich so weit erstreckt, war lange umstritten. Mit den kombinierten neuen Beobachtungen und innovativen Simulationen gehen wir davon aus, dass wir ein 15 Jahre altes Rätsel gelöst haben: Lyman-Alpha-Blob-1 ist ein Ort, an dem eine massereiche elliptische Galaxie entsteht, die eines Tages das Herz eines riesigen Galaxienhaufens bilden wird. Wir sehen eine Momentaufnahme dessen, wie die Galaxie vor 11,5 Milliarden Jahren ausgesehen hat.“

Endnoten

[1] Die negativ geladenen Elektronen, die den positiv geladenen Kern in einem Atom umkreisen, haben quantisierte Energielevel, sie können also nur in bestimmten Energiezuständen existieren. Ein Übergang ist nur möglich, wenn eine bestimme Menge an Energie gewonnen oder verloren wird. Lyman-Alpha-Strahlung entsteht, wenn Elektronen in Wasserstoffatomen vom zweitniedrigsten Energieniveau zum niedrigsten übergehen. Dabei wird eine bestimmte Energiemenge frei, die in Form von Licht mit einer spezifischen Wellenlänge im ultravioletten Teil des Spektrums ausgesendet wird, das Astronomen mit Weltraumteleskopen oder im Falle eines rotverschobenen Objektes auch auf der Erde nachweisen können. LAB-1 hat eine Rotverschiebung von z~3, sodass das Lyman-Alpha-Licht im sichtbaren Bereich beobachtet werden kann.

[2] Die Auflösung eines Geräts bezeichnet die Fähigkeit, zwei Objekte getrennt darstellen zu können. Bei niedriger Auflösung würden mehrere helle Lichtquellen bei großer Entfernung wie ein einziger leuchtender Punkt erscheinen, wohingegen sie nur auf kurzer Distanz unterscheidbar wären. Durch ALMAs hohe Auflösung konnten zwei einzelne Quellen aufgelöst werden, die vorher als einzelner verschwommener Punkt erschienen.

[3] Bei den verwendeten Instrumenten handelte es sich um den Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) am Hubble-Weltraumteleskop von NASA/ESA und den Multi-Object Spectrometer For Infra-Red Exploration (MOSFIRE), der am Keck-1-Teleskop auf Hawaii installiert ist.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Ergebnisse von J. Geach et al. erscheinen demnächst unter dem Titel „ALMA observations of Lyman-α Blob 1: Halo sub-structure illuminated from within” in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal.

Die beteiligten Wissenschaftler sind J. E. Geach (Centre for Astrophysics Research, University of Hertfordshire, Hatfield, Großbritannien), D. Narayanan (Department of Physics and Astronomy, Haverford College, Haverford PA, USA; Department of Astronomy, University of Florida, Gainesville FL, USA), Y. Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan, Mitaka, Tokio, Japan; The Graduate University for Advanced Studies, Mitaka, Tokio, Japan), M. Hayes (Stockholm University, Department of Astronomy and Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics, Stockholm, Schweden), Ll. Mas-Ribas (Institute of Theoretical Astrophysics, University of Oslo, Oslo, Norwegen), M. Dijkstra (Institute of Theoretical Astrophysics, University of Oslo, Oslo, Norwegen), C. C. Steidel (California Institute of Technology, Pasadena CA, USA ), S. C. Chapman (Department of Physics and Atmospheric Science, Dalhousie University, Halifax, Kanada ), R. Feldmann (Department of Astronomy, University of California, Berkeley CA, USA ), A. Avison (UK ALMA Regional Centre Node; Jodrell Bank Centre for Astrophysics, School of Physics and Astronomy, The University of Manchester, Manchester, Großbritannien), O. Agertz (Department of Physics, University of Surrey, Guildford, Großbritannien), Y. Ao (National Astronomical Observatory of Japan, Mitaka, Tokio, Japan), M. Birkinshaw (H.H. Wills Physics Laboratory, University of Bristol, Bristol, Großbritannien), M. N. Bremer (H.H. Wills Physics Laboratory, University of Bristol, Bristol, Großbritannien), D. L. Clements (Astrophysics Group, Imperial College London, Blackett Laboratory, London, Großbritannien), H. Dannerbauer (Instituto de Astrofísica de Canarias, La Laguna, Teneriffa, Spanien; Universidad de La Laguna, Astrofísica, La Laguna, Teneriffa, Spanien), D. Farrah (Department of Physics, Virginia Tech, Blacksburg VA, USA), C. M. Harrison (Centre for Extragalactic Astronomy, Department of Physics, Durham University, Durham, Großbritannien), M. Kubo (National Astronomical Observatory of Japan, Mitaka, Tokio, Japan), M. J. Michałowski (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Großbritannien), D. Scott (Department of Physics & Astronomy, University of British Columbia, Vancouver, Kanada), M. Spaans (Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen, Groningen, Niederlande) , J. Simpson (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Großbritannien), A. M. Swinbank (Centre for Extragalactic Astronomy, Department of Physics, Durham University, Durham, Großbritannien ), Y. Taniguchi (The Open University of Japan, Chiba, Japan), E. van Kampen (ESO, Garching), P. Van Der Werf (Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, Niederlande), A. Verma (Oxford Astrophysics, Department of Physics, University of Oxford, Oxford, Großbritannien) und T. Yamada (Astronomical Institute, Tohoku University, Miyagi, Japan).

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Von europäischer Seite aus wird ALMA über die Europäische Südsternwarte (ESO) finanziert, in Nordamerika von der National Science Foundation (NSF) der USA in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC) und dem taiwanesischen National Science Council (NSC), und in Ostasien von den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan. Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch 16 Länder: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist einer der Hauptpartner bei ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das European Extremely Large Telescope (E-ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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Kontaktinformationen

Carolin Liefke
ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel: 06221 528 226
E-Mail: eson-germany@eso.org

Jim Geach
Centre for Astrophysics Research, University of Hertfordshire
Hatfield, UK
E-Mail: j.geach@herts.ac.uk

Matthew Hayes
Stockholm University
Stockholm, Sweden
Tel: +46 (0)8 5537 8521
E-Mail: matthew@astro.su.se

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mobil: +49 151 1537 3591
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Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1632.

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