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ALMA und VLT finden Hinweise auf Sternentstehung nur 250 Millionen Jahre nach dem Urknall

17.05.2018

Astronomen haben anhand von Beobachtungen des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Arrays (ALMA) und des Very Large Telescope (VLT) der ESO festgestellt, dass die Sternentstehung in der weit entfernten Galaxie MACS1149-JD1 in einem unerwartet frühen Stadium begann, nur 250 Millionen Jahre nach dem Urknall. Gleichzeitig entspricht diese Entdeckung auch dem Nachweis des am weitesten entfernten Sauerstoffs im Universum. Es handelt sich bei MACS1149-JD1 zudem um die am weitesten entfernte Galaxie, die jemals von ALMA oder dem VLT beobachtet wurde. Die Ergebnisse werden am 17. Mai 2018 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Ein internationales Astronomenteam hat mit ALMA eine entfernte Galaxie namens MACS1149-JD1 beobachtet. Dabei entdeckten sie ein sehr schwaches Leuchten von ionisiertem Sauerstoff in dieser Galaxie.


Dieses Bild zeigt den Galaxienhaufen MACS J1149.5+2223, aufgenommen mit dem NASA/ESA Hubble Space Telescope. Das Inset-Bild stellt die weit entfernte Galaxie MACS1149-JD1 dar, wie sie vor 13,3 Milliarden Jahren aussah und nun mit ALMA beobachtet wurde. Dabei ist die mit ALMA detektierte Sauerstoffverteilung rot dargestellt.

Herkunftsnachweis:

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble Space Telescope, W. Zheng (JHU), M. Postman (STScI), the CLASH Team, Hashimoto et al.

Auf seinem Weg durch das Weltall wurde dieses Infrarotlicht durch die Expansion des Universums auf eine mehr als zehnmal längere Wellenlänge gedehnt, bis es die Erde erreichte und von ALMA nachgewiesen wurde.

Das Team folgerte, dass das Signal vor 13,3 Milliarden Jahren (oder 500 Millionen Jahre nach dem Urknall) ausgesendet wurde, was es zum am weitesten entfernten Sauerstoff macht, der jemals von einem Teleskop erfasst wurde [1].

Die Anwesenheit von Sauerstoff ist ein deutliches Zeichen dafür, dass es noch frühere Generationen von Sternen in dieser Galaxie gegeben haben muss.

"Ich war begeistert, das Signal des entfernten Sauerstoffs in den ALMA-Daten zu sehen", erläutert Takuya Hashimoto, Erstautor des neuen Fachartikels, in dem die Entdeckung beschrieben wird, und Forscher an der Osaka Sangyo Universität und dem National Astronomical Observatory of Japan. "Diese Entdeckung verschiebt die Grenzen des beobachtbaren Universums."

Neben dem von ALMA aufgenommenen Sauerstoff wurde mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO auch ein schwächeres Signal von Wasserstoff detektiert. Der aus dieser Beobachtung ermittelte Abstand zur Galaxie stimmt mit dem Abstand aus der Sauerstoffbeobachtung überein. Dies macht den MACS1149-JD1 zur entferntesten Galaxie mit einer präzisen Entfernungsmessung und zur entferntesten Galaxie, die jemals mit ALMA oder dem VLT beobachtet wurde.

"Wir sehen diese Galaxie heute so, wie zu der Zeit aussah, als das Universum erst 500 Millionen Jahre alt war - in der sie bereits eine Population entwickelter Sterne enthält", erklärt Nicolas Laporte, ein Forscher am University College London (UCL) in Großbritannien und Zweitautor des Artikels. "Wir sind also in der Lage, mit diese Galaxie in eine noch frühere, völlig unbekannte Periode der kosmischen Geschichte einzutauchen."

Die erste Zeit nach dem Urknall gab es im Universum keinen Sauerstoff; er wurde erst durch die Fusionsprozesse der ersten Sterne erzeugt und dann freigesetzt, als diese Sterne starben. Der Nachweis von Sauerstoff in MACS1149-JD1 zeigt, dass diese früheren Sterngenerationen 500 Millionen Jahre nach Beginn des Universums bereits gebildet und Sauerstoff ausgestoßen haben müssen.

Aber wann kam es zu dieser ersten Sternentstehungsphase? Um dies herauszufinden, rekonstruierte das Team die frühere Geschichte von MACS1149-JD1 anhand von Infrarot-Daten, die mit dem NASA/ESA Hubble Space Telescope und dem NASA Spitzer Space Telescope aufgenommen wurden. Sie fanden heraus, dass die beobachtete Helligkeit der Galaxie durch ein Modell gut erklärt wird, bei dem der Beginn der Sternentstehung nur 250 Millionen Jahre nach der Entstehung des Universums stattfand [2].

Der Zustand der Sterne in MACS1149-JD1 wirft die Frage auf, wann die allerersten Galaxien aus der völligen Dunkelheit auftauchten, eine Epoche, die die Astronomen romantisch als "kosmische Dämmerung" bezeichnen. Durch die Bestimmung des Alters von MACS1149-JD1 hat das Team effektiv gezeigt, dass Galaxien früher existierten als die, die wir derzeit direkt sehen können.

Richard Ellis, leitender Astronom am UCL und Koautor der Arbeit, schließt: "Die Bestimmung, wann die kosmische Dämmerung eintrat, ist sozusagen der Heilige Gral der Kosmologie und Galaxienbildung. Mit diesen neuen Beobachtungen von MACS1149-JD1 kommen wir der Geburt des Sternlichts näher! Da wir alle aus recycelter Sternmaterie bestehen, ist das in Wirklichkeit auch unsere eigene Herkunft."

Endnoten

[1] ALMA hat mehrfach den Rekord für die Detektion des entferntesten Sauerstoffs aufgestellt. Im Jahr 2016 haben Akio Inoue und seine Kollegen an der Universität Osaka Sangyo mit ALMA ein Signal von Sauerstoff entdeckt, das vor 13,1 Milliarden Jahren ausgesandt wurde. Einige Monate später hat Nicolas Laporte vom University College London 13,2 Milliarden Jahre alten Sauerstoff mit ALMA nachgewiesen. Nun haben die beiden Teams ihre Kräfte gebündelt und diesen neuen Rekord erreicht, was einer Rotverschiebung von 9,1 entspricht.

[2] Dies entspricht einer Rotverschiebung von etwa 15.

Weitere Informationen

Die hier präsentierten Forshcugtnsergebnisse von T. Hashimoto et al. erscheinen am 17. Mai 2018 unter dem Titel “The onset of star formation 250 million years after the Big Bang” in der Zeitschrift Nature .

Die beteiligten Wissenschaftler sind: Takuya Hashimoto (Osaka Sangyo University/National Astronomical Observatory of Japan), Nicolas Laporte (University College London, Großbritannien), Ken Mawatari (Osaka Sangyo University, Japan), Richard S. Ellis (University College London, Großbritannien), Akio. K. Inoue (Osaka Sangyo University, Japan), Erik Zackrisson (Uppsala University, Schweden), Guido Roberts-Borsani (University College London, Großbritannien), Wei Zheng (Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland, United States), Yoichi Tamura (Nagoya University, Japan), Franz E. Bauer (Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile), Thomas Fletcher (University College London, Großbritannien), Yuichi Harikane (University of Tokyo, Japan), Bunyo Hatsukade (The University of Tokyo, Japan), Natsuki H. Hayatsu (University of Tokyo, Japan; ESO Garching), Yuichi Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan/SOKENDAI, Japan), Hiroshi Matsuo (National Astronomical Observatory of Japan/SOKENDAI, Sapporo, Japan), Takashi Okamoto (Hokkaido University, Sapporo, Japan), Masami Ouchi (University of Tokyo, Japan), Roser Pelló (Université de Toulouse, France), Claes-Erik Rydberg (Universität Heidelberg), Ikkoh Shimizu (Osaka University, Japan), Yoshiaki Taniguchi (Open University of Japan, Chiba, Japan), Hideki Umehata (University of Tokyo, Japan) and Naoki Yoshida (University of Tokyo, Japan).

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 eso1815.

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