Fingerabdrücke entfernter Galaxien im Licht eines Gammastrahlenausbruchs

Überraschenderweise offenbarten zwei Galaxien im frühen Universum dabei einen höheren Anteil an schweren Elementen als unsere Sonne. Möglicherweise verschmelzen diese beiden Galaxien möglicherweise gerade miteinander. Solche Ereignisse führen zur Bildung vieler neuer Sterne und könnten Auslöser für Gammastrahlenausbrüche im frühen Universum.

Gammastrahlenausbrüche (auf Englisch Gamma Ray Bursts oder kurz GRBs) sind die hellsten Explosionen im Universum [1]. Entdeckt werden sie zumeist von Satellitenobservatorien, die den anfänglichen, kurzen Ausbruch von Gammastrahlung registrieren. Anschließend richten die Astronomen unverzüglich auch erdgebundene Teleskope auf die entsprechende Himmelsposition, um das Nachleuchten des Ausbruchs im sichtbaren und infraroten Spektralbereich zu beobachten, das einige Stunden bis Tage lang anhält.

Der Gammastrahlenausbruch mit dem Kürzel GRB 090323 [2], wurde zuerst vom Gammastrahlen-Weltraumobservatorium Fermi der NASA entdeckt. Kurz darauf wurde der Ausbruch auch vom Röntgendetektor auf dem Swift-Satelliten der NASA und vom GROND-System am MPG/ESO 2,2-Meter-Teleskop in Chile (eso1049) nachgewiesen. Bereits einen Tag nach der Explosion konnte der Ausbruch dann sehr detailliert mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO untersucht werden.

Die VLT-Beobachtungen zeigen, dass das helle Licht des Gammastrahlenausbruchs sowohl die Galaxie, in der der Ausbruch stattfand, als auch eine weitere, in der Nähe der ersten befindliche Galaxie durchquert hat. Diese Galaxien sehen wir heute so, wie ihr Zustand vor etwa 12 Milliarden Jahren war [3]. Derart weit entfernte Galaxien werden nur selten vom Licht eines Gammastrahlenausbruchs durchleuchtet.

“Während wir das Licht dieses Gammastrahlenausbruchs untersuchten, wussten wir noch nicht was uns erwarten würde. Wir waren sehr überrascht, denn das kühle Gas dieser beiden Galaxien im frühen Universum hatte eine völlig unerwartete chemische Zusammensetzung”, erklärt Sandra Savaglio vom Max-Planck Institut für Extraterrestrische Physik in Garching bei München, die Erstautorin des Fachartikels, in dem die Ergebnisse vorgestellt werden. „Diese Galaxien enthielten mehr schwere Elemente, als je zuvor in einer Galaxie in einer so frühen Phase der Entwicklung des Universums beobachtet wurden. Wir waren bisher davon ausgegangen, dass das Universum damals chemisch noch nicht derart weit entwickelt gewesen sein konnte.”

Während das Licht des Gammastrahlenausbruchs die Galaxien durchquerte, wirkte das Gas in den Galaxien wie ein Filter und absorbierte Licht bei ganz bestimmten Wellenlängen. Ohne den Gammastrahlenausbruch wären diese lichtschwachen Galaxien unsichtbar geblieben. Indem die Astronomen die verräterischen Fingerabdrücke untersuchten, die verschiedene chemische Elemente im Licht des Ausbruchs hinterließen, waren sie in der Lage, die chemische Zusammensetzung des kühlen Gases in diesen weit entfernten Galaxien zu analysieren. So konnten sie herausfinden, wie stark die Galaxien bereits mit schweren Elementen angereichert waren.

Allgemein erwartet man, dass Galaxien im frühen Universum weniger schwere Elemente enthalten als heutige Galaxien (wie zum Beispiel unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße). Die schweren Elemente werden während des Lebens und Sterbens von Sternen mehrerer Generationen produziert, und reichern sich so nach und nach im Gas der Galaxien an [4]. Astronomen sind daher in der Lage, anhand der chemischen Anreicherung von Galaxien festzustellen, wie weit diese Galaxien in ihrer Entwicklung fortgeschritten sind. Die neuen Beobachtungen zeigen nun aber überraschenderweise, dass manche Galaxien schon weniger als zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall sehr reich an schweren Elementen gewesen sind. Das erschien bis dahin völlig undenkbar.

Um das kühle Gas so stark und schnell anzureichern, müssen sich in dem neu entdeckten Galaxienpaar rasend schnell neue Sterne bilden. Da die beiden Galaxien sehr nahe beieinander liegen, verschmelzen sie möglicherweise gerade miteinander. In den Gaswolken, die dabei miteinander kollidieren, sollten erheblich mehr Sterne entstehen als in normalen Galaxien. Die neuen Ergebnisse stützen auch die These, dass Gammastrahlenausbrüche im Zusammenhang mit der schnellen Entstehung vieler massereicher Sterne stehen.

Die rapide Entstehung von Sternen in solchen Galaxien könnte bereits früh in der Geschichte des Universums wieder abgeklungen sein. Heute, zwölf Milliarden Jahre später, würden die Überreste dieser Galaxien lediglich noch eine große Zahl von Sternleichen enthalten, etwa Schwarze Löcher und viele kühle Zwergsterne. Eine solche Population von „toten Galaxien“, die nur noch ein Schatten ihrer eigenen, gleißend hellen Vergangenheit sind, wäre heute nur sehr schwer nachzuweisen.

“Wir hatten großes Glück, dass wir GRB 090323 binnen kürzester Zeit beobachten konnten. Damit war der Ausbruch hell genug, dass wir mit dem VLT hochgenaue Daten gewinnen konnten. Gammastrahlenausbrüche bleiben nur für eine kurze Zeit ausreichend hell, so dass es sehr schwierig ist, gute Beobachtungsergebnisse zu erhalten. Wir hoffen, dass wir solche Galaxien in Zukunft mit sehr viel empfindlicheren Instrumenten erneut beobachten können. Sie wären perfekte Beobachtungsobjekte für das in Planung befindliche europäische Großteleskop E-ELT”, schließt Savaglio.

Endnoten

[1] Gammastrahlenausbrüche, die länger als zwei Sekunden dauern, bezeichnet man als lange Ausbrüche, die Ereignisse mit weniger als zwei Sekunden Dauer dagegen als kurze Ausbrüche. Lange Ausbrüche, zu denen auch der hier untersuchte Ausbruch gehört, stehen mit Supernova-Explosionen von massereichen, jungen Sternen in sternbildenden Galaxien in Verbindung. Die kurzen Ausbrüche sind noch nicht gut verstanden. Sie dürften bei der Verschmelzung von zwei kompakten Objekten wie zum Beispiel Neutronensternen entstehen.

[2] Die Bezeichnung enthält Datum, an dem der Ausbruch entdeckt wurde, in diesem Fall den 23. März 2009.

[3] Die Rotverschiebung der Galaxien beträgt 3,57. Das bedeutet, dass wir die Galaxien so sehen, wie ihr Zustand 1,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall war.

[4] Kurz nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren enthielt das Weltall an herkömmlicher Materie fast nur Wasserstoff und Helium. Die meisten schwereren Elemente, wie zum Beispiel Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff, wurden erst später durch thermonukleare Reaktionen im Inneren von Sternen erzeugt; beenden diese Sterne ihr Leben in einer Supernova-Explosion, dann werden ihre Hüllen hinausgeschleudert und reichern das Gas, das die Galaxie erfüllt, mit schweren Elementen an. Daher ist zu erwarten, dass die Menge an schweren Elementen in den meisten Galaxien mit der Zeit langsam zunimmt.

Zusatzinformationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse erscheinen demnächst unter dem Titel “Super-solar Metal Abundances in Two Galaxies at z ~ 3.57 revealed by the GRB 090323 Afterglow Spectrum” in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Die beteiligten Wissenschaftler sind S. Savaglio (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, Garching bei München [MPE]), A. Rau (MPE), J. Greiner (MPE), T. Krü̈hler (MPE; Technische Universitä̈t München, Garching [TUM]), S. McBreen (University College Dublin, Irland; MPE), D. H. Hartmann (Clemson University, Clemson, USA), A. C. Updike (Clemson), R. Filgas (MPE), S. Klose (Thü̈ringer Landessternwarte Tautenburg), P. Afonso (MPE), C. Clemens (MPE), A. Küpcü̈ Yoldas (ESO Garching), F. Olivares E. (MPE), V. Sudilovsky (MPE; TUM) und G. Szokoly (Eötvö̈s University, Budapest, Ungarn).

Kontaktinformationen

Carolin Liefke
ESO Science Outreach Network – Haus der Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel: 06221 528226
E-Mail: eson-germany@eso.org
Sandra Savaglio
Astronomer, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 30000 3358
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E-Mail: savaglio@mpe.mpg.de
Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal, E-ELT and Survey Telescopes Public Information Officer
Garching bei München, Germany
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