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Detailliertester Blick auf Sternentstehung im fernen Universum überhaupt

09.06.2015

ALMA-Beobachtung eines Einsteinrings enthüllt außergewöhnliche Details

Im Rahmen der Long Baseline-Kampagne von ALMA ist eine eindrucksvoll detailgetreue Aufnahme einer entfernten Galaxie entstanden, deren Leuchten durch den Gravitationslinseneffekt abgebildet wird. Das Bild zeigt eine vergrößerte Ansicht der Sternentstehungsregionen der Galaxie, die in ihrer Art einzigartig sind, da ihresgleichen noch nie solcher Detailschärfe in einer solch weit entfernten Galaxie beobachtet werden konnten.


Fotomontage des Einsteinrings von SDP.81 und der gelinsten Galaxie

Die neuen Beobachtungen sind um einiges detaillierter als jene des Hubble-Weltraumteleskops von NASA und ESA und bringen Ansammlungen von Sternentstehung in der Galaxie zum Vorschein, die riesigen Versionen des Orionnebels gleichen.

Im Rahmen der Long Baseline-Kampagne von ALMA sind aufregende Beobachtungen durchgeführt worden, durch die detaillierte, teils noch nie dagewesene Informationen über das Invenatar des nahen und fernen Universums gewonnen werden konnten. Die Beobachtungen wurden Ende 2014 als Teil der Kampagne durchgeführt, die eine entfernte Galaxie mit dem Namen HATLAS J090311.6+003906 zum Ziel hatte, die auch als SDP.81 bezeichnet wird.

Das Licht aus dieser Galaxie unterliegt dem sogenannten Gravitationslinseneffekt bekannt ist. Eine große Galaxie, die sich zwischen SDP.81 und ALMA [1] befindet, agiert dabei als Linse, krümmt das Licht der weiter entfernten Galaxie und erzeugt ein nahezu perfektes Beispiel eines als Einsteinring bekannten Phänomens [2].

Mindestens sieben Gruppen von Wissenschaftlern [3] haben unabhängig voneinander die ALMA-Daten von SDP.81 ausgewertet. Die Flut an Veröffentlichungen geben noch nie dagewesene Informationen über die Galaxie preis und enthüllen Details über Struktur, Inhalt, Bewegung und andere physikalische Eigenschaften.

ALMA arbeitet wie ein Interferometer. Vereinfacht dargestellt agieren die einzelnen Antennen der Anlage perfekt synchron, um das Licht als gigantisches virtuelles Teleskop zu sammeln [4]. Infolgedessen haben die neuen Bilder von SDP.81 eine Auflösung, die bis zu sechsmal größer ist [5], als die der Bilder, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop von NASA und ESA aufgenommen wurden.

Diese von Astronomen ausgeklügelte Methode bringt feine, niemals zuvor beobachtete Strukturen innerhalb von SDP.81 in Form von staubhaltigen Wolken zum Vorschein, von denen man annimmt, dass sie gigantische Lagerstätten kalten molekularen Gases sind – die Geburtsstätten von Sternen und Planeten. Diese Modelle waren in der Lage, die Verzerrungen herauszukorrigieren, die durch die vergrößernde Gravitationslinse entstanden sind.

Demzufolge sind die Beobachtungen mit ALMA so scharf, dass die Forscher Klumpen mit Sternentstehung in der Galaxie bis zu einer Größe von 100 Lichtjahren beobachten können, also vergleichbar mit riesigen Versionen des Orionnebels, die am entfernten Ende des Universums tausend Mal mehr neue Sterne produzieren. Es ist das erste Mal, dass dieses Phänomen in solch einer enormen Entfernung beobachtet werden konnte.

„Die rekonstruierte ALMA-Aufnahme der Galaxie ist sehr eindrucksvoll“, sagt Rob Ivison, Koautor zweier Veröffentlichungen und wissenschaftlicher Direktor der ESO. „ALMAs gewaltige Lichtsammelfläche, die große räumliche Trennung der Antennen und die stabile Atmosphäre über der Atacamawüste führten zu einer ausgezeichneten Detailschärfe, sowohl im Bild als auch im Spektrum. Das bedeutet, dass wir sehr empfindliche Beobachtungen durchführen können und Information darüber erhalten, wie sich die unterschiedlichen Teile der Galaxie bewegen. Wir können Galaxien am anderen Ende des Universums untersuchen und dabei zusehen wie sie verschmelzen und eine riesige Zahl an Sternen produzieren. Das ist die Motivation, die mich morgens aufstehen lässt!“

Mithilfe der spektralen Informationen, die mit ALMA gesammelt wurden, konnten Astronomen auch messen, wie die entfernte Galaxie rotiert und daraus ihre Masse abschätzen. Die Daten zeigen, dass das Gas in dieser Galaxie instabil ist; große Klumpen fallen in sich zusammen und werden sich wahrscheinlich in der Zukunft in neue riesige Sternentstehungsgebiete verwandeln.

Die Modellierung des Linseneffekts deutet insbesondere auch auf die Existenz eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Vordergrundgalaxie hin, die als Linse dient [6]. Der zentrale Teil von SDP.81 ist zu lichtschwach, um wahrgenommen werden zu können, was zu dem Schluss führt, dass die Galaxie im Vordergrund ein supermassereiches Schwarzes Loch mit dem mehr als 200-300 Millionenfachen der Sonnenmasse beinhaltet.

Die Anzahl an wissenschaftlichen Arbeiten, die veröffentlicht wurden und auf diesem ALMA-Datensatz beruhen, zeigt die Aufregung, die durch das Potential der hohen Auflösung der Antennenanordnung und seiner Lichtsammelleistung entstanden sind. Es zeigt außerdem, dass ALMA es Astronomen ermöglichen wird, in den kommenden Jahren noch weitere grandiose Entdeckungen zu machen, dabei aber auch weitere Fragen über die Natur entfernter Galaxien aufwerfen wird.

Endnoten

[1] Die gelinste Galaxie zeigt sich so, wie sie aussah als das Alter des Universums nur 15 Prozent seines jetzigen Alters betrug, also nur 2,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Das Licht hat zweimal so lange für den Weg bis zu uns gebraucht, wie die Erde alt ist (11,4 Milliarden Jahre) und musste dabei einen Umweg um eine massereiche Vordergrundgalaxie machen, die mit einer Entfernung von vier Milliarden Lichtjahren vergleichsweise nah bei uns liegt.

[2] Gravitationslinsen wurden von Albert Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Seine Theorie besagt, dass Objekte Raum und Zeit krümmen. Licht, das diese gekrümmte Raumzeit erreicht, folgt selbst der Krümmung, die durch das Objekt entstanden ist. Dies ermöglicht vor allem massereichen Objekten – wie sehr großen Galaxien und Galaxienhaufen – als kosmisches Vergrößerungsglas zu agieren. Ein Einsteinring ist eine spezielle Art von Gravitationslinse, bei der die Erde, die Vordergrundgalaxie, die das Licht bricht und die Hintergrundgalaxie, die abgebildet wird, perfekt in einer Linie liegen, was zu einer harmonischen Krümmung des Lichts in Form eines Rings führt. Dieses Phänomen ist in Video A dargestellt.

[3] Die Wissenschaftlerteams sind unten aufgelistet.

[4] ALMAs Fähigkeit, auch die feinsten Details wahrzunehmen kann nur dann zur Gänze ausgenutzt werden, wenn die Antennen in ihrem größten Abstand angeordnet sind und bis zu 15 Kilometer voneinander entfernt sind. Als Vergleich: Frühere Beobachtungen von Gravitationslinsen, die mit ALMA in einer kompakteren Konfiguration durchgeführt wurden, bei der die Antennen nur 500 Meter voneinander entfernt waren, sind hier zu sehen.

[5] Details bis zu 0,023 Bogensekunden, also 23 Millibogensekunden, können in diesen Daten vermessen werden. Hubble beobachtete diese Galaxie im Nahinfraroten mit einer Auflösung von etwa 0,16 Bogensekunden. Anzumerken ist jedoch, dass Hubble feinere Auflösungen bis hin zu 0,022 Bogensekunden im Nahinfraroten erreichen kann, wenn im Bereich kürzerer Wellenlängen beobachtet wird. ALMAs Auflösung kann abhängig von der Art der Beobachtungen angepasst werden, indem die Antennen weiter weg oder näher zusammen bewegt werden. Für diese Beobachtungen wurde die größtmögliche räumliche Entfernung genutzt, was die höchstmögliche Auflösung ermöglicht.

[6] Die hochauflösende ALMA-Aufnahme ermöglicht Forschern nach dem zentralen Bereich der Hintergrundgalaxie Ausschau zu halten, von dem man annimmt, dass er in der Mitte des Einsteinrings erscheint. Wenn die Vordergrundgalaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum beherbergt, wird das mittige Bild lichtschwächer. Die Lichtabschwächung an dieser Stelle ist ein Hinweis darauf, wie massereich das Schwarze Loch in der Vordergrundgalaxie ist.

Weitere Informationen

Die hier präsentierten Forschungsarbeiten wurden in acht Veröffentlichungen präsentiert, die in naher Zukunft erscheinen. Die Teams aus Wissenschaftlern sind unten aufgelistet.

http://arxiv.org/abs/1503.07605
Yoichi Tamura (The University of Tokyo), Masamune Oguri (The University of Tokyo), Daisuke Iono (National Astronomical Observatory of Japan/SOKENDAI), Bunyo Hatsukade (National Astronomical Observatory of Japan), Yuichi Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan/SOKENDAI) und Masao Hayashi (National Astronomical Observatory of Japan).

http://arxiv.org/abs/1503.08720
Simon Dye (University of Nottingham), Christina Furlanetto (University of Nottingham; CAPES Foundation, Ministry of Education of Brazil, Brasilien), Mark Swinbank (Durham University), Catherine Vlahakis (Joint ALMA Observatory, Chile; ESO Chile), James Nightingale (University of Nottingham), Loretta Dunne (University of Canterbury, New Zealand; Institute for Astronomy [IfA], Royal Observatory Edinburgh), Steve Eales (Cardiff University), Ian Smail (Durham), Ivan Oteo-Gomez (IfA, Edinburgh; ESO Deutschland), Todd Hunter (National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, Virginia, USA), Mattia Negrello (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Vicolo Osservatorio, Padova, Italien), Helmut Dannerbauer (Universität Wien, Österreich), Rob Ivison (IfA, Edinburgh; ESO, Deutschland), Raphael Gavazzi (Universite Pierre et Marie Curie, Paris), Asantha Cooray (California Institute of Technology, USA) und Paul van der Werf (Universität Leiden, Niederlande).

http://arxiv.org/abs/1505.05148
Mark Swinbank (Durham University), Simon Dye (University of Nottingham), James Nightingale (University of Nottingham), Christina Furlanetto (University of Nottingham; CAPES Foundation, Ministry of Education of Brazil, Brasilien), Ian Smail (Durham), Asantha Cooray (California Institute of Technology, USA), Helmut Dannerbauer (Universität Wien, Österreich), Loretta Dunne (University of Canterbury, New Zealand; Institute for Astronomy [IfA], Royal Observatory Edinburgh), Steve Eales (Cardiff University), Raphael Gavazzi (Universite Pierre et Marie Curie, Paris), Todd Hunter (National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, Virginia, USA), Rob Ivison (IfA, Edinburgh; ESO Deutschland), Mattia Negrello (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Vicolo Osservatorio, Padova, Italien), Ivan Oteo-Gomez (IfA, Edinburgh; ESO Deutschland), Renske Smit (Durham), Paul van der Werf (Universität Leiden, Niederlande) und Catherine Vlahakis (Joint ALMA Observatory, Chile; ESO Chile),

http://arxiv.org/abs/1503.05558
Kenneth C. Wong (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica (ASIAA), Taipei, Taiwan), Sherry H. Suyu (ASIAA, Taiwan) und Satoki Matsushita (ASIAA, Taiwan)

http://arxiv.org/abs/1503.07997
Bunyo Hatsukade (National Astronomical Observatory of Japan, Tokio, Japan) Yoichi Tamura (Institute of Astronomy, University of Tokyo, Tokio, Japan), Daisuke Iono (National Astronomical Observatory of Japan; The Graduate University for Advanced Studies [SOKENDAI], Tokio, Japan), Yuichi Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan), Masao Hayashi (National Astronomical Observatory of Japan), Masamune Oguri (Research Center for the Early Universe, University of Tokyo, Tokio, Japan; Department of Physics, University of Tokyo, Tokio, Japan; Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe [Kavli IPMU, WPI], University of Tokyo, Chiba, Japan)

http://arxiv.org/abs/1503.02652
Die ALMA-Partnerschaft, C. Vlahakis (Joint ALMA Observatory [JAO]; ESO) , T. R. Hunter (National Radio Astronomy Observatory [NRAO]), J. A. Hodge (NRAO) , L. M. Pérez (NRAO) , P. Andreani (ESO), C. L. Brogan (NRAO) , P. Cox (JAO, ESO) , S. Martin (Institut de Radioastronomie Millimétrique [IRAM]) , M. Zwaan (ESO) , S. Matsushita (Institute of Astronomy and Astrophysic, Taiwan) , W. R. F. Dent (JAO, ESO), C. M. V. Impellizzeri (JAO, NRAO), E. B. Fomalont (JAO, NRAO), Y. Asaki (National Astronomical Observatory of Japan; Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), Japan Aerospace Exploration Agency [JAXA]) , D. Barkats (JAO, ESO) , R. E. Hills (Astrophysics Group, Cavendish Laboratory), A. Hirota (JAO; National Astronomical Observatory of Japan), R. Kneissl (JAO, ESO), E. Liuzzo (INAF, Istituto di Radioastronomia), R. Lucas (Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble) , N. Marcelino (INAF), K. Nakanishi (JAO, National Astronomical Observatory of Japan), N. Phillips (JAO, ESO), A. M. S. Richards (University of Manchester), I. Toledo (JAO), R. Aladro (ESO), D. Broguiere (IRAM), J. R. Cortes (JAO, NRAO), P. C. Cortes (JAO, NRAO), D. Espada (ESO, National Astronomical Observatory of Japan), F. Galarza (JAO), D. Garcia-Appadoo (JAO, ESO), L. Guzman-Ramirez (ESO), A. S. Hales (JAO, NRAO) , E. M. Humphreys (ESO) , T. Jung (Korea Astronomy and Space Science Institute) , S. Kameno (JAO, National Astronomical Observatory of Japan) , R. A. Laing (ESO), S. Leon (JAO,ESO) , G. Marconi (JAO, ESO) , A. Mignano (INAF) , B. Nikolic (Astrophysics Group, Cavendish Laboratory), L. A. Nyman (JAO, ESO), M. Radiszcz (JAO), A. Remijan (JAO, NRAO), J. A. Rodón (ESO), T. Sawada (JAO, National Astronomical Observatory of Japan), S. Takahashi (JAO, National Astronomical Observatory of Japan), R. P. J. Tilanus (Leiden University), B. Vila Vilaro (JAO, ESO), L. C. Watson (ESO), T. Wiklind (JAO, ESO), Y. Ao (National Astronomical Observatory of Japan) , J. Di Francesco (National Research Council Herzberg Astronomy & Astrophysics), B. Hatsukade (National Astronomical Observatory of Japan), E. Hatziminaoglou (ESO), J. Mangum (NRAO), Y. Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan), E. Van Kampen (ESO), A. Wootten (NRAO), I. De Gregorio-Monsalvo (JAO, ESO), G. Dumas (IRAM), H. Francke (JAO), J. Gallardo (JAO), J. Garcia (JAO), S. Gonzalez (JAO), T. Hill (ESO), D. Iono (National Astronomical Observatory of Japan), T. Kaminski (ESO), A. Karim (Argelander-Institute for Astronomy), M. Krips (IRAM), Y. Kurono (JAO, National Astronomical Observatory of Japan) , C. Lonsdale (NRAO), C. Lopez (JAO), F. Morales (JAO), K. Plarre (JAO), L. Videla (JAO), E. Villard (JAO, ESO), J. E. Hibbard (NRAO), K. Tatematsu (National Astronomical Observatory of Japan)

http://arxiv.org/abs/1503.02025
M. Rybak (Max-Planck-Institut für Astrophysik), J. P. McKean (Netherlands Institute for Radio Astronomy; University of Groningen) S. Vegetti (Max-Planck-Institut für Astrophysik), P. Andreani (ESO) und S. D. M. White (Max-Planck-Institut für Astrophysik)

http://arxiv.org/abs/1506.01425
M. Rybak (Max-Planck-Institut für Astrophysik), S. Vegetti (Max-Planck-Institut für Astrophysik), J. P. McKean (Netherlands Institute for Radio Astronomy; University of Groningen), P. Andreani (ESO) und S. D. M. White (Max-Planck-Institut für Astrophysik).

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 und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). 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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Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1522.

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