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Gewaltige, lange zurückliegende Galaxienverschmelzungen

26.04.2018

ALMA und APEX entdecken riesige Ansammlungen sich bildender Galaxien im frühen Universum

Die ALMA- und APEX-Teleskope haben tief in den Weltraum geschaut - zurück in die Zeit, als das Universum nur ein Zehntel seines heutigen Alters hatte - und so die Anfänge gigantischer kosmischer Massenansammlungen miterlebt: die bevorstehenden Kollisionen junger Starburstgalaxien.


Diese künstlerische Darstellung zeigt eine Gruppe von interagierenden und verschmelzenden Galaxien im frühen Universum. Solche Galaxienverschmelzungen wurden mithilfe der ALMA- und APEX-Teleskope entdeckt und repräsentieren die Entstehung von Galaxienhaufen, den massereichsten Objekten im modernen Universum. Astronomen dachten bislang, dass diese Ereignisse etwa drei Milliarden Jahre nach dem Urknall stattfanden, so dass sie überrascht waren, als die neuen Beobachtungen zeigten, dass sie auch auftraten, als das Universum nur halb so alt war!

Herkunftsnachweis: ESO/M. Kornmesser

Astronomen dachten bislang, dass diese Ereignisse etwa drei Milliarden Jahre nach dem Urknall stattfanden und waren daher überrascht, dass die neuen Beobachtungen sie bereits zu einer Zeit zeigen, als das Universum nur halb so alt war! Man geht davon aus, dass diese uralten Galaxiensysteme die massereichsten Strukturen im bekannten Universum bilden: Galaxienhaufen.

Mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) und dem Atacama Pathfinder Experiment (APEX) haben zwei internationalen Wissenschaftlerteams unter der Leitung von Tim Miller von der Dalhousie University in Kanada und der Yale University in den USA sowie Iván Oteo von der University of Edinburgh in Großbritannien erstaunlich dichte Konzentrationen von Galaxien aufgefunden, die dabei sind, sich zu vereinigen und die Kerne dessen zu bilden, was später große Galaxienhaufen sein werden.

Das Miller-Team schaute durch 90% der Strecke des beobachtbaren Universums und untersuchte einen Proto-Galaxienhaufen namens SPT2349-56. Das Licht von diesem Objekt begann zu uns zu reisen, als das Universum nur etwa ein Zehntel seines heutigen Alters hatte.

Die einzelnen Galaxien in dieser dichten kosmischen Massenansammlung sind Starburst-Galaxien und die Konzentration starker Sternentstehung in einer so kompakten Region macht dies zur bei weitem aktivsten Region, die jemals im jungen Universum beobachtet wurde. Tausende von Sternen werden dort jedes Jahr geboren, zum Vergleich: In unserer eigenen Milchstraße ist es durchschnittlich nur ein einziger.

Das Oteo-Team hatte bereits eine ähnlich große Galaxienverschmelzung aus zehn staubigen sternbildenden Galaxien entdeckt, die wegen ihrer tiefroten Farbe als "staubiger roter Kern" bezeichnet wird, indem es aus Beobachtungen von ALMA und APEX kombinierte.

Iván Oteo erklärt, warum sie mit diesen Objekten nicht gerechnet haben: "Die Lebensdauer von staubiger Sternentstehung wird relativ kurz eingeschätzt, weil das Gas dabei außerordentlich schnell verbraucht wird. Zu jeder Zeit, in jeder Ecke des Universums, sind solche Galaxien in der Regel in der Minderheit. Es ist also sehr rätselhaft, zahlreiche staubreiche Sternentstehungsgebiete gleichzeitig zu finden, und das müssen wir noch verstehen."

Diese sich bildenden Galaxienhaufen wurden zunächst mit dem South Pole Telescope und dem Weltraumobservatorium Herschel als schwache Lichtflecken entdeckt. Nachfolgende ALMA- und APEX-Beobachtungen zeigten dann, dass sie eine ungewöhnliche Struktur haben und haben bestätigt, dass ihr Licht viel früher als erwartet entstand - nur 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall.

Die neuen hochauflösenden ALMA-Beobachtungen ergaben schließlich, dass die beiden schwachen Lichtquellen keine Einzelobjekte sind, sondern sich aus vierzehn bzw. zehn einzelnen massereichen Galaxien zusammensetzen, die jeweils in einem Umkreis liegen, der mit der Entfernung zwischen der Milchstraße und den benachbarten Magellanschen Wolken vergleichbar ist.

"Diese Entdeckungen von ALMA sind nur die Spitze des Eisbergs. Zusätzliche Beobachtungen mit dem APEX-Teleskop zeigen, dass die tatsächliche Anzahl der sternbildenden Galaxien wahrscheinlich sogar dreimal höher ist. Laufende Beobachtungen mit dem MUSE-Instrument am VLT der ESO identifizieren auch weitere Galaxien", kommentiert ESO-Astronom Carlos De Breuck.

Aktuelle theoretische und computergestützte Modelle haben ergeben, dass so massereiche Proto-Galaxienhaufen eigentlich viel länger gebraucht haben sollten, um sich zu entwickeln. Mithilfe der ALMA-Daten mit ihrer überlegenen Auflösung und Empfindlichkeit als Input für anspruchsvolle Computersimulationen sind die Wissenschaftler in der Lage, die Haufenbildung weniger als 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall zu untersuchen.

"Wie diese Ansammlung von Galaxien so schnell so groß wurde, ist erstmal ein Rätsel. Sie hat sich offenbar nicht allmählich über Milliarden von Jahren angesammelt, so wie die Astronomen es erwarten haben. Diese Entdeckung bietet eine großartige Gelegenheit zu untersuchen, wie massereiche Galaxien zusammengekommen sind, um riesige Galaxienhaufen zu bilden", erläutert Tim Miller, Doktorand an der Yale University und Hauptautor einer der beiden Fachartikel.

Weitere Informationen

Die hier präsentierten Forschungsergebnisse werden in zwei Artikeln vorgestellt: "The Formation of a Massive Galaxy Cluster Core at z = 4.3" von T. Miller et al. wird in der Fachzeitschrift Nature erscheinen, "An Extreme Proto-cluster of Luminous Dusty Starbursts in the Early Universe", von I. Oteo et al. ist bereits im Astrophysical Journal erschienen.

Das Team um Miller besteht aus: T. B. Miller (Dalhousie University, Halifax, Kanada; Yale University, New Haven, Connecticut, USA), S. C. Chapman (Dalhousie University, Halifax, Kanada; Institute of Astronomy, Cambridge, Großbritannien), M. Aravena (Universidad Diego Portales, Santiago, Chile), M. L. N. Ashby (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), C. C. Hayward (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA; Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, New York, USA), J. D. Vieira (University of Illinois, Urbana, USA), A. Weiß (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn), A. Babul (University of Victoria, Kanada) , M. Béthermin (Aix-Marseille Université, CNRS, LAM, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Frankreich), C. M. Bradford (California Institute of Technology, Pasadena, USA; Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, USA), M. Brodwin (University of Missouri, Kansas City, USA), J. E. Carlstrom (University of Chicago, Illinois USA), Chian-Chou Chen (ESO, Garching), D. J. M. Cunningham (Dalhousie University, Halifax, Kanada; Saint Mary’s University, Halifax, Nova Scotia, Kanada), C. De Breuck (ESO, Garching), A. H. Gonzalez (University of Florida, Gainesville, Florida, USA), T. R. Greve (University College London, Gower Street, London, Großbritannien), Y. Hezaveh (Stanford University, Kalifornien, USA), K. Lacaille (Dalhousie University, Halifax, Kanada; McMaster University, Hamilton, Kanada), K. C. Litke (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, USA), J. Ma (University of Florida, Gainesville, USA), M. Malkan (University of California, Los Angeles, USA) , D. P. Marrone (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, USA), W. Morningstar (Stanford University, Kalifornien, USA), E. J. Murphy (National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, Virginia, USA), D. Narayanan (University of Florida, Gainesville, USA), E. Pass (Dalhousie University, Halifax, Kanada), University of Waterloo, Kanada), R. Perry (Dalhousie University, Halifax, Kanada), K. A. Phadke (University of Illinois, Urbana, USA), K. M. Rotermund (Dalhousie University, Halifax, Kanada), J. Simpson (University of Edinburgh, Royal Observatory, Blackford Hill; Durham University, Großbritannien), J. S. Spilker (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, USA), J. Sreevani (University of Illinois, Urbana, USA), A. A. Stark (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), M. L. Strandet (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn) und A. L. Strom (Observatories of The Carnegie Institution for Science, Pasadena, Kalifornien, USA).

Das Team um Oteo besteht aus: I. Oteo (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory,Großbritannien; ESO, Garching), R. J. Ivison (ESO, Garching; Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Großbritannien), L. Dunne (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Großbritannien; Cardiff University, Großbritannien), A. Manilla-Robles (ESO, Garching; University of Canterbury, Christchurch, New Zealand), S. Maddox (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Großbritannien; Cardiff University, Großbritannien), A. J. R. Lewis (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Großbritannien), G. de Zotti (INAF-Osservatorio Astronomico di Padova, Italien), M. Bremer (University of Bristol, Tyndall Avenue, Bristol, Großbritannien), D. L. Clements (Imperial College, London, Großbritannien), A. Cooray (University of California, Irvine, USA), H. Dannerbauer (Instituto de Astrofíısica de Canarias, La Laguna, Tenerife, Spanien; Universidad de La Laguna, Dpto. Astrofísica, La Laguna, Tenerife, Spanien), S. Eales (Cardiff University, Großbritannien), J. Greenslade (Imperial College, London, Großbritannien), A. Omont (CNRS, Institut d’Astrophysique de Paris, Frankreich; UPMC Univ. Paris 06, Frankreich), I. Perez–Fournón (University of California, Irvine, USA; Instituto de Astrofísica de Canarias, La Laguna, Tenerife, Spanien), D. Riechers (Cornell University, Space Sciences Building, Ithaca, New York, USA), D. Scott (University of British Columbia, Vancouver, Kanada), P. van der Werf (Leiden Observatory, Universeit Leiden, Niederlande), A. Weiß (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn) und Z-Y. Zhang (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Großbritannien; ESO, Garching).

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Die Organisation hat 15 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Hinzu kommen das Gastland Chile und Australien als strategischer Partner. 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 außerdem einer der Hauptpartner bei zwei Projekten auf Chajnantor, APEX und 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 eso1812.

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