Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wasser im frühen Universum

18.12.2008
Max-Planck-Forscher weisen mit dem Radioteleskop Effelsberg Wasser in Rekordentfernung nach

Eine Gruppe unter der Leitung von Violette Impellizzeri hat mit dem 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg Wasser in der bisher größten bekannten Entfernung im Universum nachgewiesen. Das Wassermolekül wurde in dem Quasar MG J0414+0534 bei einer Rotverschiebung von 2,64 gefunden. Das entspricht einer Lichtlaufzeit von 11,1 Milliarden Jahren. Bei diesem Quasar schauen die Max-Planck-Forscher also zurück in eine Zeit, in der das Universum nur ein Fünftel seines heutigen Alters hatte. (Nature, 18. Dezember 2008)


Bei einer Frequenz von 6,1 Gigahertz entdeckten die Forscher das Signal der Wasserlinie des Quasar MG J0414+0534. Das Hintergrundbild zeigt die vier Bilder des Quasars, aufgenommen mithilfe des Hubble-Teleskops. Die Vordergrundgalaxie wirkt als Gravitationslinse und verstärkt das Signal 35-fach. Das Bild der nahen Galaxie M87 (rechts unten) zeigt, wie man sich den Quasar aus der Nähe betrachtet vorstellen könnte. Bild: HST Archive data; Grafik: Milde Science Communication; Inset: CFHT & Coelum

Das Wasser in MG J0414+0534 ist vermutlich Bestandteil von Gas- und Staubwolken, die auf ein extrem massereiches Schwarzes Loch im Zentrum dieses weit entfernten Galaxienkerns einströmen. Nachfolgende Messungen bei sehr hoher Auflösung mit dem amerikanischen EVLA- ("Expanded Very Large Array") Interferometer bei Socorro/New Mexico bestätigten den Fund der Wissenschaftler um Impellizzeri, Doktorandin am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Bei der Entdeckung von Wasser im frühen Universum half der Zufall: Der Quasar steht am Himmel in derselben Richtung wie eine Vordergrundgalaxie. Diese liegt näher am Betrachter und wirkt wie ein gewaltiges kosmisches Teleskop. Durch den Einfluss ihrer Schwerkraft wird das Licht des Quasars verstärkt und gleichzeitig in vier separate Bilder aufgespalten. Ohne diesen Gravitationslinseneffekt hätte es 580 Tage Messzeit mit einem 100-Meter-Teleskop gebraucht, um die Strahlung des Wassermoleküls sichtbar zu machen; so genügten 14 Stunden.

"Es haben schon andere Gruppen versucht, Wasser in solch großer Distanz aufzufinden und sind daran gescheitert. Wir wussten, dass wir hinter einem sehr schwachen Signal her waren", sagt Violette Impellizzeri. "Deswegen suchten wir mit Absicht ein System mit einer Vordergrundgalaxie als Vergrößerungsglas. Auch wenn wir nicht gleich fündig wurden, sind wir drangeblieben und hatten schließlich die Linie im Kasten."

Für ihre Entdeckung nutzten die Forscher einen weiteren glücklichen Umstand: Aufgrund der Expansion des gesamten Weltalls bewegt sich auch die Galaxie MG J0414+0534 vom Beobachter weg. Dabei wird ihr Licht in den roten Bereich des Spektrums verschoben. Und diese Rotverschiebung ist gerade so groß, dass sich Frequenz der Strahlung des Wassermoleküls von ursprünglich 22 auf 6 Gigahertz verringert - was genau dem Bereich des in Effelsberg eingesetzten Empfängers entspricht.

"Interessant ist, dass wir Wasser bereits in der ersten unserer Kandidatengalaxien in großer Entfernung nachweisen konnten, bei denen die Strahlung durch eine Vordergrundgalaxie als Gravitationslinse verstärkt wird", erläutert John McKean, Zweitautor der Veröffentlichung. "Wir vermuten, dass das Wassermolekül in der Frühzeit des Universums wesentlich häufiger auftritt als zunächst angenommen. Somit können wir die massereichen Schwarzen Löcher in fernen Galaxien untersuchen und die Entwicklung von Galaxien bei sehr hoher Rotverschiebung."

Die Signalaussendung des Wassermoleküls erfolgte in gebündelter Form, als sogenannter Maser - im Mikrowellenbereich das Gegenstück zum optischen Laser. Das Signal entspricht einer Leuchtkraft vom 10.000-fachen der gesamten Sonnenleuchtkraft nur in einer einzigen Spektrallinie. Solche astrophysikalischen Maserquellen sind aus Gebieten mit heißem, dichtem Staub und Gas bekannt. Der Nachweis des Wassers in MG J0414+0534 zeigt erstmals eine derart dichte Gaskomponente in der Frühzeit des Kosmos. Die Bedingungen für Bildung und Fortbestehen des Wassermoleküls mussten also bereits zu einer Zeit vorgeherrscht haben, die nur 2,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall lag.

Als Quelle für Wassermaser in Galaxien werden heißes Gas und Staub angenommen, die in der sogenannten Akkretionsscheibe in geringem Abstand die sehr massereichen, zentralen Schwarzen Löcher umkreisen. Die durch den Masereffekt verstärkte Radiostrahlung lässt sich normalerweise nur dann beobachten, wenn man fast von der Kante aus auf die rotierende Scheibe blickt. Bei MG J0414+0534 ist die Scheibe jedoch so ausgerichtet, dass man sie nahezu senkrecht von oben sieht. "Das könnte bedeuten, dass die Wassermaser, die wir hier beobachten, nicht in der Akkretionsscheibe sitzen, sondern in den superschnellen Materiestrahlen oder Jets, die senkrecht zur Scheibe durch die Schwerkraft des Schwarzen Lochs herausgeschleudert werden", sagt John McKean.

Bisher haben die Astronomen in rund 100 Galaxien Wasser gefunden. MG J0414+0534 hält mit einer Distanz von 11,1 Milliarden Lichtjahren den Rekord. "Wir werden die Suche nach Wasser auch auf andere weit entfernte Galaxien ausdehnen, und zwar mit den Teleskopen, die wir jetzt schon zur Verfügung haben und ebenso mit der nächsten Generation von Radioteleskopen. Denn jetzt wissen wir, dass es da draußen Wasser gibt", sagt Violette Impellizzeri.

Zum Forschungsteam gehören Violette Impellizzeri als Erstautorin, John McKean und Alan Roy, alle aus der Forschunggruppe "Very Long Baseline Interferometry" am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) und Paola Castangia vom Cagliari-Observatorium in Italien, die als Doktorandin in einem Austauschprogramm am MPIfR war, als das Projekt durchgeführt wurde. Weiterhin Christian Henkel und Andreas Brunthaler, beide Mitarbeiter in der Forschungsgruppe "Spektroskopie" am MPIfR, und Olaf Wucknitz vom Argelander-Institut für Astronomie an der Universität Bonn. Violette Impellizzeri hat dieses Projekt als Teil ihrer Promotion am MPIfR durchgeführt; sie ist zurzeit als Postdoc am National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Charlottesville/USA.

Das Radioteleskop Effelsberg wird vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn betrieben und spielt seit Jahren eine wichtige Rolle beim Auffinden von Wassermasern in anderen Galaxien und deren Verwendung als Hilfsmittel zur Untersuchung der zentralen Schwarzen Löcher in diesen Galaxien. Der erste Nachweis von Wasser außerhalb unserer Milchstraße erfolgte bereits 1977 mit dem 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg (in der nahen Galaxie M33). Für eine Weile stellte das in der Galaxie 3C 403 nachgewiesene Wasser den Rekord dar (mit einer Rotverschiebung von 0,06). Mit MG J0414+0534 wurde nun Wasser in noch wesentlich größerer Entfernung wiederum mit dem 100-m-Teleskop nachgewiesen.

Das Very Large Array (VLA) wird vom amerikanischen National Radio Astronomy Observatory betrieben und besteht aus 27 Radioteleskopen von je 25 Metern Durchmesser, die als Netzwerk (Interferometer) miteinander verbunden sind. Zurzeit wird der Frequenzbereich, in dem das VLA eingesetzt werden kann, zum "Expanded Very Large Array" (EVLA) erweitert. Die neuen Empfänger für einen Frequenzbereich zwischen 4 und 8 GHz, die bereits an neun EVLA-Antennen zur Verfügung standen, wurden für das vorliegende Projekt eingesetzt.

Originalveröffentlichung:

C.M. Violette Impellizzeri, John P. McKean, Paola Castangia, Alan L. Roy, Christian Henkel, Andreas Brunthaler, & Olaf Wucknitz
A gravitationally lensed water maser in the early Universe
Nature, 18. Dezember 2008

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle
07.12.2016 | Goethe-Universität Frankfurt am Main

nachricht Das Universum enthält weniger Materie als gedacht
07.12.2016 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Universum enthält weniger Materie als gedacht

07.12.2016 | Physik Astronomie

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016 | Physik Astronomie

Bakterien aus dem Blut «ziehen»

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie