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ALMA wird erstmals Zeuge der Bildung von Galaxien im frühen Universum

22.07.2015

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hat die entferntesten Gaswolken von Sternentstehungsregionen entdeckt, die je in Galaxien des frühen Universums gefunden wurden. Die neuen Beobachtungen erlauben den Astronomen erstmals zu sehen, wie die ersten Galaxien entstanden sind und wie sie den kosmischen Nebel in der Ära der Reionisation aufgelöst haben. Dies ist das erste Mal, dass von solchen Galaxien mehr als nur ein schwacher Lichtfleck sichtbar ist.

Als die ersten Galaxien anfingen, sich wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall zu bilden, war das Universum erfüllt von einem Nebel aus Wasserstoffgas. Aber als mehr und mehr leuchtkräftige Quellen – sowohl Sterne als auch die von gewaltigen Schwarzen Löchern angetriebenen Quasare – anfingen zu leuchten, lösten sie den Nebel auf und machten das Universum transparent für ultraviolettes Licht [1]. Astronomen nennen dies die Epoche der Reionisation. Über diese ersten Galaxien ist alleridngs nur wenig bekannt und bis jetzt hat man sie wenn dann nur als sehr schwache Lichtflecke wahrgenommen. Nun jedoch beginnen neue Beobachtungen dank der Leistungsfähigkeit von ALMA dies zu ändern.


Die weit entfernte Galaxie BDF 3299.

Bild: ESO/R. Maiolino

Ein Team von Astronomen, angeführt von Roberto Maiolino vom Cavendish Laboratory und vom Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge in Großbritannien haben ALMA auf Galaxien gerichtet, von denen man weiß, das man sie in Zustand nur 800 Millionen Jahre nach dem Urknall sieht [2]. Sie waren dabei nicht am Licht der Sterne interessiert, sondern an dem schwachen Leuchten ionisierten Kohlenstoffs [3], das von den Gaswolken ausgeht, aus denen sich Sterne bilden. Sie wollten die Wechselwirkung zwischen der jungen Generation von Sternen und den kalten Klumpen studieren, die sich gerade zu diesen frühen Galaxien verdichteten.

Sie schauten ebensowenig nach den extrem hellen und seltenen Objekten – wie Quasaren oder Galaxien mit sehr hoher Sternentstehungrate – die man bislang untersucht hatte. Stattdessen konzentrierten sie sich auf die weniger dramatischen, jedoch häufiger vorkommenden Galaxien, die das Universum reionisiert haben, und die sich dann zu der Mehrzahl von Galaxien weiterentwickelt haben, die uns heute umgeben.

Von einer der Galaxien – sie erhielt die Bezeichnung BDF2399 – konnte ALMA ein schwaches, aber deutliches Signal von leuchtendem Kohlenstoff empfangen. Dieses Leuchten kommt jedoch nicht vom Zentrum der Galaxie, sondern von einer Seite.

Koautor Andrea Ferrara von der Scuola Normale Superiore im italienischen Pisa erklärt die Bedeutung der neuen Ergebnisse: „Dies ist der Nachweis der am weitesten entfernten, jemals beobachteten Emission dieser Art von einer 'normalen' Galaxie, die wir in dem Stadium sehen, in dem sie sich weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall befand. Damit haben wir die Gelegenheit, die Entstehung der ersten Galaxien zu beobachten. Zum ersten Mal sehen wir frühe Galaxien nicht nur als winzigen Lichtfleck, sondern als Objekte mit einer inneren Struktur!”

Die Astronomen glauben, dass die exzentrische Position des Glimmens daher rührt, dass die zentrumsnahen Wolken in der rauhen Umgebung neu gebildeter Sterne zerstreut werden – sowohl durch deren intensive Strahlung, als auch durch die Folgen von Supernovaexplosionen. Das Kohlenstoffleuchten markiert hingegen das kühle, frische Gas, das aus dem intergalaktischen Medium aufgesammelt wird.

Über die Kombination der neuen ALMA-Beobachtungen mit Computersimulationen wurde es möglich, Schlüsselprozesse bei der Bildung der ersten Galaxien im Detail zu verstehen. Die Effekte der Strahlung von Sternen, das Überleben von Molekülwolken, das Entkommen von ionisierter Strahlung sowie die komplexe Struktur des interstellaren Mediums können jetzt berechnet und mit Beobachtungen verglichen werden. BDF2399 ist wahrscheinlich ein typisches Beispiel für die Galaxien, die für die Reionisation maßgeblich verantwortlich sind.

Wir versuchen schon seit Jahren, das interstellare Medium und die Bildung der Verursacher der Reionisation zu verstehen. Dass wir nun endlich unsere Vorhersagen und Hypothesen mit realen Daten von ALMA vergleichen können, ist ein aufregender Moment und eröffnet eine neue Welle von Fragen. Derartige Beobachtungen werden viele der hartnäckigen Probleme zu lösen helfen, die wir mit der Bildung der ersten Sterne und Galaxien im Universum haben”, fügt Andrea Ferrara hinzu.

Roberto Maiolino resümiert: „Diese Studie wäre ohne ALMA einfach unmöglich gewesen, da kein anderes Instrument die erforderliche Empfindlichkeit und räumliche Auflösung hat. Obwohl dies eine der bislang umfangreichsten Beobachtungen mit ALMA ist, reizt sie doch bei weitem noch nicht seine Möglichkeiten aus. In Zukunft wird uns ALMA Bilder von der Feinstruktur primordialer Galaxien liefern und die Entstehung der ersten Galaxien im Detail aufzuklären helfen.”

Endnoten

[1] Neutraler Wasserstoff absorbiert sehr effizient alle hochenergetische Ultraviolett-Strahlung, die von jungen Sternen emittiert wird. Dementsprechend kann man diese Sterne äußerst schlecht im frühen Universum beobachten. Gleichzeitig ionisiert das absorbierte ultraviolette Licht den Wasserstoff, wodurch er völlig transparent wird. Die heißen Sterne fressen daher sozusagen ihre eigenen Blasen in das Gas. Und sobald sich alle diese Blasen vereinen und so den Raum ausfüllen, ist die Reionisation komplett und das Universum wird durchsichtig.

2] Diese hatten Rotverschiebungen von 6,8 bis 7,1.

3] Astronomen sind insbesondere deshalb an ionisiertem Kohlenstoff interessiert, weil diese spezielle Spektrallinie den Großteil der von Sternen eingebrachten Energie abtransportiert und sie den Astronomen so erlaubt, das kalte Gas aufzuspüren, aus dem sich Sterne bilden. Im Speziellen hat das Team nach Emissionen von einfach ionisiertem Kohlenstoff (bekannt als [C II]) gesucht. Diese Strahlung wird bei einer Wellenlänge von 158 Mikrometern emittiert, und nachdem diese dann durch die Expansion des Universums gedehnt wurde, kommt sie im ALMA mit just der richtigen Wellenlänge von 1,3 Millimetern an, um beobachtet werden zu können.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse von R. Maiolino et al. erscheinen am 22. Juli 2015 unter dem Titel “The assembly of “normal” galaxies at z∼7 probed by ALMA” in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Die beteiligten Wissenschaftler sind R. Maiolino (Cavendish Laboratory, University of Cambridge, Großbritannien; Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, Großbritannien) S. Carniani (Cavendish Laboratory; Kavli Institute for Cosmology; Universitá di Firenze, Florenz, Italien), A. Fontana (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italien), L. Vallini (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italien; Universitá di Bologna, Italien), L. Pentericci (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italien), A. Ferrara (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italien), E. Vanzella (INAF–Bologna Astronomical Observatory, Bologna, Italien), A. Grazian (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italien), S. Gallerani (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italien), M. Castellano (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italien), S. Cristiani (INAF–Trieste Astronomical Observatory, Trieste, Italien), G. Brammer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland, USA), P. Santini (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italien), J. Wagg (Square Kilometre Array Organization, Jodrell Bank Observatory, Großbritannien) und R. Williams (Cavendish Laboratory; Kavli Institute for Cosmology).

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von der ESO, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) der USA und den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Republik Chile betrieben wird. Getragen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsländer, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC), dem taiwanesischen National Science Council (NSC) und NINS in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan sowie dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb agiert die ESO für ihre Mitgliedsländer, 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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Cambridge, United Kingdom
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