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Große Galaxien sterben von innen nach außen

17.04.2015

Beobachtungen mit dem VLT und Hubble zeigen, dass die Sternentstehung zuerst im Zentrum von elliptischen Galaxien aufhört

Astronomen ist es erstmals gelungen zu zeigen, wie die Sternentstehung in „toten“ Galaxien vor Milliarden von Jahren ins Stottern kam. Mit dem Very Large Telescope der ESO und des Hubble-Weltraumteleskops der NASA/ESA konnten die Wissenschaftler enthüllen, dass drei Milliarden Jahre nach dem Urknall zwar noch Sterne im Außenbereich dieser Galaxien entstanden, aber nicht mehr im Inneren.

Scheinbar ließ die Sternentstehung zuerst im Kern der Galaxien nach und breitete sich dann in die äußeren Bereiche aus. Die Ergebnisse werden in der Ausgabe vom 17. April 2015 in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Ein wichtiges astrophysikalisches Rätsel basiert auf der Frage, wie massereiche, inaktive elliptische Galaxien, die im heutigen Universum sehr häufig sind, ihre einst hohe Sternentstehungsrate zum Erliegen gebracht haben.

Solch riesige Galaxien, die aufgrund ihrer Form oft auch als Sphäroide bezeichnet werden, sind typischerweise in den zentralen Regionen zehnmal so dicht mit Sternen besiedelt wie unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, und haben auch etwa die zehnfache Masse.

Astronomen bezeichnen diese großen Galaxien als rot und tot, da sie eine Fülle von alten, roten Sternen, aber nur wenige junge, blaue Sterne und keinerlei Anzeichen von Sternentstehung aufweisen.

Das geschätzte Alter der roten Sterne legt nahe, dass ihre Heimatgalaxie vor etwa zehn Milliarden Jahren aufgehört hat, neue Sterne zu bilden, direkt am höchsten Punkt der Sternentstehungsrate im Universum, als viele Galaxien noch mit einer zwanzig Mal höheren Geschwindigkeit Sterne gebaren als heutzutage.

„Massereiche tote elliptische Galaxien enthalten etwa die Hälfte aller Sterne, die im Universum während seiner gesamten Existenz entstanden sind“, erklärt Sandro Tacchella von der ETH Zürich in der Schweiz, Erstautor des Artikels. „Wir können nicht behaupten zu verstehen, wie sich das Universum entwickelt hat und zu dem wurde, was wir heute von ihm sehen, bis wir wissen, wie diese Galaxien sich entwickelt haben.“

Tacchella und seine Kollegen beobachteten insgesamt 22 Galaxien aus einer Ära etwa 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall [1], deren Masse eine ganze Bandbreite umfasst. Das SINFONI-Instrument am Very Large Telescope (VLT) der ESO sammelte Licht von dieser Auswahl an Galaxien und zeigte präzise, wo sie Sterne am laufenden Band produzierten. SINFONI konnte diese detaillierten Messungen der fernen Galaxien nur dank seines Systems adaptiver Optik machen, das die störenden Effekte aus der Erdatmosphäre größtenteils beseitigt.

Das NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskop richteten die Wissenschaftler ebenfalls auf diese Auswahl an Galaxien, um die störenden Auswirkungen der Atmosphäre zu umgehen. Hubbles WFC3-Kamera schoss Bilder im Nahinfraroten, um die räumliche Verteilung von älteren Sternen innerhalb der Galaxien mit aktiver Sternentstehung deutlich zu machen.

„Es ist unglaublich beeindruckend, wie SINFONIs System adaptives Optik atmosphärische Effekte weitestgehend ausschalten und Information darüber sammeln kann, wo neue Sterne geboren werden, und das mit genau derselben Präzision, die Hubble für die Bestimmung der Massenverteilung der Sterne erlaubt“, ergänzt Marcella Carollo, ebenfalls von der ETH Zürich und Koautorin der Studie.

Den neuen Daten nach hielten die massereichsten Galaxien in der Stichprobe eine stetige Produktion neuer Sterne in ihren Außenbezirken aufrecht. In ihrem wulstigen, dichtgepackten Zentrum hatte die Sternentstehung allerdings bereits gestoppt.

„Das jetzt nachgewiesene Stoppen der Sternentstehung in massereichen Galaxien von innen nach außen wirft ein neues Licht auf die grundlegenden Mechanismen, die daran beteiligt sind. Das ist etwas, worüber Astronomen lange gestritten haben“, erläutert Alvio Renzini vom INAF - Osservatorio Astronomico di Padova.

Eine gängige Theorie besagt, dass sternbildende Materie von dem reißenden Energiestrom zerstreut wird, der von dem im Zentrum einer Galaxie befindlichen supermassereichen Schwarzen Loch stammt, das Materie in sich hineinschaufelt. Eine andere Idee besagt, dass der Zufluss von frischem Gas in die Galaxie stoppt und deshalb die Galaxie regelrecht verhungert, da der Nachschub für die Entstehung neuer Sterne fehlt und sich die Galaxie infolgedessen in einen roten und toten Sphäroiden verwandelt.

„Es gibt viele unterschiedlichen theoretischen Vorschläge für den physikalischen Mechanismus, der zum Tod der massereichen elliptischen Galaxien führte“ schließt Koautorin Natascha Förster Schreiber vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching. „Die Entdeckung dass die Sternentstehung vom Zentrum ausgehend nach außen verlöscht ist, ist enorm wichtig für das Verständnis dafür, wie es dazu kam, dass das Universum so aussieht, wie es heute der Fall ist.“

Endnoten

[1] Das Alter des Universums beträgt etwa 13,8 Milliarden Jahre, so dass die Galaxien, die von Tacchella und seinen Kollegen untersucht wurden, im Allgemeinen über 10 Milliarden Jahre alt sind.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Ergebnisse von  S. Tacchella et al. erscheinen am 17. April 2015 unter dem Titel „Evidence for mature bulges and an inside-out quenching phase 3 billion years after the Big Bang” in der Zeitschrift Science.

Die beteiligten Wissenschaftler sind Sandro Tacchella (ETH Zürich, Schweiz), Marcella Carollo (ETH Zürich), Alvio Renzini (INAF, Padua, Italien), Natascha Förster Schreiber (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, Garching), Philipp Lang (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik), Stijn Wuyts (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik), Giovanni Cresci (INAF), Avishai Dekel (The Hebrew University, Israel), Reinhard Genzel (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und University of California, Berkeley, USA), Simon Lilly (ETH Zürich), Chiara Mancini (Italian National Institute of Astrophysics), Sarah Newman (University of California, Berkeley, USA), Masato Onodera (ETH Zürich), Alice Shapley (University of California, Los Angeles, USA), Linda Tacconi (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, Garching), Joanna Woo (ETH Zürich) und Giovanni Zamorani (INAF, Bologna, Italien).

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.

Kontaktinformationen

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

Sandro Tacchella
ETH Zurich
Zurich, Switzerland
Tel: +41 44 633 6314
Mobil: +41 76 480 7963
E-Mail: sandro.tacchella@phys.ethz.ch

Marcella Carollo
ETH Zurich
Zurich, Switzerland
Tel: +41 797 926 581
E-Mail: marcella@phys.ethz.ch

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ESO, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
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Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1516.

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