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Die Keimzelle einer Galaxie

05.02.2009
Forscher des Max-Planck-Instituts für Astronomie messen im Zentrum einer jungen Galaxie extrem hohe Sterngeburtsraten

Im frühen Universum ging es heftig zu: Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie haben im Kern einer weit entfernten und damit jungen Galaxie eine geradezu explosive Rate an Sterngeburten beobachtet. Pro Jahr entstehen dort Sterne mit einer Gesamtmasse von mehr als 1000 Sonnenmassen. Offenbar sind solche vergleichsweise kleinen Regionen in den Galaxienkernen die Keimzellen der Sternbildung. (Nature, 5. Februar 2009)


Falschfarbenaufnahme der Galaxie J1148+5251, aufgenommen mit den Radioteleskopen des Very Large Array in New Mexiko. Bild: NRAO/AUI/NSF


In der Region Orion-KL im Orionnebel (schwarzer Rahmen) ist die Sternentstehungsaktivität ähnlich hoch wie in der Zentralregion von J1148+5251 - allerdings auf ein ungleich kleineres Volumen beschränkt. Bild: NASA, ESA, Robberto (STScI/ESA), Orion Treasury Project Team

Galaxien, also unsere Milchstraße und ihre kosmischen Verwandten, bestehen aus Hunderten Milliarden von Sternen. Doch wie wurden diese gigantischen Systeme einst geboren? Entstand zuerst nur ein Zentralbereich mit Sternen, der mit der Zeit anwuchs? Oder bildeten sich die Sterne gleichmäßig im gesamten heutigen Volumen der Galaxie? Ein internationales Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Astronomie ist nun den Antworten auf diese Fragen ein großes Stück nähergekommen.

Die Forscher untersuchten eine der entferntesten bekannten aktiven Galaxien, einen Quasar mit der Bezeichnung J1148+5251 (Abb. 1). Das Licht von dieser Galaxie erreicht die Erde erst nach einer Reisezeit von 12,8 Milliarden Jahren. Die Beobachtungen zeigen dieses Objekt daher so, wie es vor 12,8 Milliarden Jahren aussah - weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, mit dem das All auf die Welt kam.

Mit dem IRAM-Interferometer, einem deutsch-französisch-spanischen Radioteleskop, erbrachten die Wissenschaftler den Nachweis, dass sich damals im Kern von J1148+5251 extrem viele Sterne bildeten - so schnell, wie es die Gesetze der Physik gerade noch zulassen. Im Gegensatz zu früheren Messungen gelang es zudem, die Ausdehnung des Sternentstehungsgebiets zu bestimmen: Sie beträgt nur rund 5000 Lichtjahre.

"In dieser Galaxie entstehen pro Jahr Sterne mit einer Gesamtmasse von mehr als 1000 Sonnenmassen, und das auf einem für astronomische Verhältnisse recht kleinen Gebiet", sagt Fabian Walter, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astronomie und Hauptautor des Artikels in der Fachzeitschrift Nature. Zum Vergleich: Zählt man die Massen aller Sterne zusammen, die in unserer Milchstraße geboren werden, kommt jedes Jahr nur eine einzige Sonnenmasse dazu.

Hart am physikalischen Limit

Dass sich in jungen Galaxien beachtliche Mengen an Sternen bilden, hatten bereits frühere Beobachtungen gezeigt. In ihren neuen Messungen gelang es Walter und seinen Kollegen, auch die Ausdehnung der Sternentstehungsregion zu bestimmen. Erst dieser Wert (etwa 5000 Lichtjahre) ermöglichte es den Astronomen, die Sternentstehungsraten pro Volumen abzuschätzen und sie sowohl mit Modellen, als auch mit besonders aktiven Sternentstehungsgebieten in unserer eigenen Galaxis zu vergleichen.

Mit der gemessenen Aktivität stoßen die Sternentstehungsgebiete des Quasars J1148+5251 an die Grenzen des physikalisch Erlaubten. Sterne werden geboren, wenn kosmische Wolken aus Staub und Gas unter dem Einfluss der Schwerkraft kollabieren und sich aufheizen. Doch die dabei entstehende Strahlung treibt die Gas- und Staubwolken auseinander und erschwert den weiteren Kollaps und die Bildung neuer Sterne. Daraus ergibt sich eine Obergrenze dafür, wie viele Sterne in einer bestimmten Raumregion innerhalb einer gegebenen Zeit überhaupt entstehen können.

Und genau diese Obergrenze wird in dem jetzt beobachteten Sterngebiet erreicht. In unserer Milchstraße finden sich solche extremen Verhältnisse nur in ungleich kleineren Regionen, beispielsweise in Teilen des Orionnebels (Abb. 2). "Was wir beobachtet haben, entspricht einer Ansammlung von 100 Millionen Orion-Regionen", erklärt Fabian Walter. Derartiges konnten die Forscher erstmals auf galaktischen Größenskalen nachweisen - im Widerspruch zu einigen bisherigen Schätzungen, die für die maximale Sternentstehungsrate in Galaxien auf einen zehnfach kleineren Grenzwert gekommen waren.

Von innen nach außen

Soviel Aktivität auf so geringem Raum ist noch aus einem anderen Grund von Interesse: Offenbar entsteht die Sternansammlung in dieser Galaxie von innen heraus. Denn anfangs gibt es nur eine Kernregion, in der sich besonders viele Sterne bilden. Erst im Lauf der Zeit wächst der mit Sternen gefüllte Zentralbereich - etwa durch Kollisionen und Verschmelzungen mit anderen Galaxien - und erreicht die ungleich größere Ausdehnung, wie man sie charakteristischerweise in älteren Galaxien findet. Dieses Ergebnis ist also für die theoretische Modellierung der Galaxienentwicklung von großer Bedeutung.

Um die Zentralregion der fernen Galaxie tatsächlich abzubilden, mussten die Forscher manche Schwierigkeit meistern: So ist die Galaxie fast 13 Milliarden Lichtjahre entfernt (Rotverschiebungswert z = 6.42), und bei dieser gewaltigen Distanz erscheint das Sternentstehungsgebiet unter einem Winkel von nur 0,27 Bogensekunden - so groß wie eine aus rund 18 Kilometer Entfernung betrachtete Ein-Euro-Münze. Außerdem ist die Abbildung feiner Details bei der zur Beobachtung von Sternentstehungsgebieten geeigneten Wellenlänge (rund ein Millimeter) bedeutend schwieriger als im Bereich des sichtbaren Lichts.

Auf der richtigen Wellenlänge

Schließlich half der Zufall mit: Zumindest bei einer bestimmten Frequenz, die für ionisierte Kohlenstoff-Atome charakteristisch ist, überstrahlen die Sternentstehungsgebiete den aktiven, leuchtstarken Kern von J1148+5251. Dank der Expansion des Universums erreicht diese Strahlung die Erde in Form von Radiowellen, die sich mit geeigneten Teleskopen nachweisen lassen. Eines dieser Instrumente ist das IRAM-Interferometer, ein Verbund-Radioteleskop auf dem Plateau de Bure in den französischen Alpen.

Die Messungen an diesem Instrument sind auch als Testfall für zukünftige Teleskopprojekte wichtig, insbesondere für das derzeit im Aufbau befindliche ALMA (Atacama Large Millimeter Array) in Nordchile. Dass sich die Linie des einfach ionisierten Kohlenstoffs nutzen lässt, um die Sternentstehungsgebiete weit entfernter Galaxien nachzuweisen und abzubilden, ist eine entscheidende Voraussetzung für das geplante ALMA-Beobachtungsprogramm. Mit den hier beschriebenen Messungen ließ sich diese Technik jetzt erstmals praktisch demonstrieren.

Fabian Walter: "Das Studium von Galaxien in der Frühphase der kosmischen Entwicklung, rund eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, wird in den nächsten Jahren ein zentrales Forschungsgebiet der Astronomie sein. Unsere Messungen eröffnen einen neuen Weg, um die Sternentstehung im jungen Universum zu charakterisieren."

An der Beobachtung beteiligt waren: Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Argelander Institut für Astronomie, Bonn, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, California Institute of Technology, Pasadena (USA), Institut de Radio Astronomie Millimetrique, Saint Martin d’Herès (Frankreich), Istituto Nazionale di Astrofisica, Osservatorio di Roma (Italien), National Radio Astronomy Observatory, Socorro (USA).

Originalveröffentlichung:

Fabian Walter, Dominik Riechers, Pierre Cox, Roberto Neri, Chris Carilli, Frank Bertoldi, Axel Weiss, Roberto Maiolino

A kiloparsec-scale hyper-starburst in a quasar host less than 1 gigayear after the Big Bang - Nature, 5. Februar 2009

Dr. Christina Beck | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

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