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Große Scheibengalaxien im jungen Universum
Redaktion / MPG
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24. August 2006

Astronomen habe mit Hilfe des Very Large Teleskope große Scheibengalaxien aufgespürt, die sich in relativ kurzer Zeit nach dem Urknall gebildet haben müssen. Zum ersten Mal gelang es auch, die Gasbewegung in einem elf Milliarden Lichtjahre entfernten System zu untersuchen. Danach ist die ferne Galaxie unserer Milchstraße ähnlicher als erwartet.

BzK-15504

Wasserstoff-(H alpha)-Emission der rund elf Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie BzK-15504. Die Farben zeigen, ob sich das ionisierte Gas von uns weg (rot), auf uns zu (blau) oder scheinbar gar nicht bewegt (grün), jeweils im Verhältnis zum gesamten restlichen System. Die Galaxie scheint eine Scheibengalaxie wie unsere Milchstraße zu sein, die mit 230 Kilometer pro Sekunde um die gelbe Achse im Zentrum des galaktischen Kerns (weißes Kreuz) rotiert. Bild: Genzel et. al. / ESO

Eine internationale Gruppe von Astronomen hat große Scheibengalaxien entdeckt, die unserer Milchstraße ähneln und sich in nur vergleichsweise kurzer Zeit etwa drei Milliarden Jahre nach dem Urknall gebildet haben müssen. Mit einer Kombination aus adaptiver Optik und dem neuen SINFONI- Spektrometer gelang es den Forschern am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte, die Anatomie einer dieser Galaxien mit einer Rekordauflösung von nur 0,15 Bogensekunden zu studieren. "Zum ersten Mal haben wir derart detailreiche Bilder der Gasbewegung in einem elf Milliarden Lichtjahre entfernten Sternsystem gewonnen", sagt Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching.

Im vergangenen Jahrzehnt haben die Astronomen eine Theorie der Galaxienbildung und -entwicklung im jungen Universum erarbeitet: Gas gewöhnlicher Materie kühlte ab und sammelte sich in Konzentrationen der mysteriösen Dunklen Materie. Danach führten Kollisionen und Fusionen von Milchstraßensystemen zur hierarchischen Struktur einer Galaxie. Dieses grundsätzliche Szenario lässt jedoch offen, in welchen Zeiträumen und wann sich die Galaxien gebildet haben, und wann und auf welche Weise deren Kernregionen (Bulges) und Scheiben - die hauptsächlichen Bestandteile heutiger Sternsysteme - entstanden sind.

Wertvolle Antworten hat jetzt die groß angelegte SINS-Studie über weit entfernte, leuchtstarke junge Milchstraßensysteme ("Protogalaxien") geliefert. Dabei setzten die Forscher am Very Large Telescope das neuartige Infrarot-Spektrometer SINFONI ein, das in Kombination mit dem Korrektursystem der adaptiven Optik scharfe Bilder und hoch aufgelöste Farbinformationen (Spektren) von Himmelsobjekten erzeugt.

Im Fall der rund elf Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie BzK-15504 erzielten die SINFONI-Beobachtungen eine Winkelauflösung von 0,15 Bogensekunden. (Zum Vergleich: Der Vollmond erscheint am irdischen Himmel unter einem Winkel von 1.800 Bogensekunden.) Der genannte Wert entspricht in dem fernen Sternsystem einer Strecke von nur 4.000 Lichtjahren. Die Bilder zeigen eine große, massereiche rotierende Protoscheibe, die Gas zu einem stetig wachsenden Kernbereich mit vielen jungen Sternen leitet.

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Die Forscher schließen daraus auf hohe Geburtsraten und ein vergleichsweise niedriges Alter der Sterne. Daher glauben sie, dass sich dieses Milchstraßensystem schnell gebildet hat - durch Fragmentierung und Sternentstehung in einer ursprünglich sehr gasreichen Protoscheibe. Beobachtungen an mehreren anderen Galaxien bei hohen Rotverschiebungen (also großen Distanzen) brachten ähnliche Ergebnisse.

"Am Anfang des Programms gingen wir davon aus, überwiegend unregelmäßige und vielleicht sogar chaotische Bewegungen beobachten zu können, wie sie die im jungen Universum häufig stattfindenden Kollisionen von Galaxien auslösen. Umso überraschter waren wir, als wir eine Reihe von großen rotierenden und gasreichen Scheibengalaxien entdeckten, deren kinematische Eigenschaften denen unserer heutigen Milchstraße sehr stark ähneln", erläutert Genzel, der auch Erstautor eines Nature-Artikels ist, in dem die Arbeit beschrieben wird.

Größe und schnelle Rotation dieser Galaxien seien ein Hinweis darauf, dass das Gas einen vergleichbaren "Spin" aufweist wie die Ansammlungen Dunkler Materie, aus denen es sich abgekühlt hat. Auf diese Weise lasse sich eine wichtige Frage der Galaxienentstehung empirisch beantworten. Natascha Förster Schreiber, Balzan-Stipendiatin am Garchinger Max-Planck-Institut und Erstautorin eines vor kurzem im Astrophysical Journal erschienenen Artikels, ergänzt: "Wir müssen jetzt versuchen zu verstehen, wie diese frühen Protoscheiben sich danach weiterentwickelt haben. Wir vermuten, dass sie nicht stabil geblieben sind."

Die SINFONI-Daten legen nahe, dass sich die Protoscheiben schließlich in dichte elliptische Scheiben verwandelt haben - entweder durch Prozesse, die sich in ihrem Inneren abspielten, so etwa durch spektakuläre Gaszuströme wie im Objekt BzK-15504, oder durch Kollisionen und Fusionen mit anderen Galaxien.

Einen weiteren bedeutenden Aspekt bieten die sehr hohen Sternentstehungsraten, die für viele der hoch rotverschobenen leuchtstarken Galaxien hergeleitet werden konnten: Dort ist die Geburtenrate etwa hundert Mal höher als heute in unserer Milchstraße. "Wir haben zunehmende Beweise dafür, dass sich massereiche, weit entfernte Galaxien viel schneller gebildet haben als ursprünglich angenommen", sagt Andrea Cimatti, Teammitglied und Wissenschaftler an der Universität Florenz: "Die neuen SINFONI-Daten verschaffen uns einen ersten Eindruck davon, welche Prozesse möglicherweise beteiligt sind."

Das SINS-Programm am Very Large Telescope lässt erahnen, was in den nächsten Jahren mit der Kombination aus feldabbildendem Spektrometer und adaptiver Optik möglich wird. Alice Shapley, Forscherin am Princeton Observatory erklärt: "Diese Beobachtungen sind wirklich aufregend. Jetzt geht es darum, ähnlich hervorragende Daten für eine größere Anzahl von Galaxien zu erhalten, um unser Wissen über die Galaxienbildung weiter auszubauen."

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siehe auch
SINFONI: "First Light" für neues VLT-Instrument - 25. August 2004
Links im WWW
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
 
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