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GALAXIENENTWICKLUNG
Der Grundstoff für neue Sterne
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie
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4. Oktober 2013

Astronomen konnten jetzt beobachten, wie kalte Materieströme aus Wasserstoff in eine ferne Galaxie fließen und dort als Grundstoff für die Entstehung neuer Sterne dienen. Solche Ströme waren von Theoretikern vorhergesagt worden, sind aber nur schwer zu beobachten. Zur Hilfe kam den Astronomen jetzt die günstige Lage eines entfernten Quasars.

Galaxie

So könnte die ferne Galaxie (Mitte) aussehen, in die kalte Materieströme aus Gas fließen. Das Bild stammt aus einer Computersimulation. Einer der Materieflüsse wird von hinten von einem entfernten Quasar beleuchtet (unten links) und konnte erst dadurch beobachtet werden. Bild: MPIA (G. Stinson / A. V. Macciò)

Um die Entstehung von Galaxien wie unsere Milchstraße zu erklären, gehen Kosmologen davon aus, dass diese Galaxien einst große Mengen an kosmischer Materie aus riesigen Wasserstoff-Reservoirs aufgesammelt haben. Dieser Wasserstoff treibt seit der Frühzeit des Universums in den Weiten des Raumes zwischen den Galaxien.

Vor rund zehn Milliarden Jahren, als unser Kosmos nur rund ein Fünftel so alt war wie heute, produzierten die damaligen Protogalaxien massenweise Sterne - mehr als Hundert Mal so viel wie es für heutige Galaxien typisch ist. Da sich Sterne aus Gas bilden, ist notwendige Vorbedingung für solche Rekordproduktion, dass hinreichend Nachschub an Sternen-Rohmaterial zur Verfügung steht.

Über die letzten zehn Jahre hinweg haben Computersimulationen solcher kosmischen Szenarien große Fortschritte gemacht. Sie verraten den Astronomen, wie Galaxien an den "Treibstoff" für ihre Sternproduktion gelangt sein könnten: Gas fließt demnach über schmale, kalte Materieströme in die Galaxien. Wie Rinnsale aus der Schneeschmelze, die einen Bergsee speisen, findet auf diese Weise immer wieder neues Rohmaterial für die Sternentstehung seinen Weg in die Galaxien.

Nachzuprüfen, ob dieses Szenario auch tatsächlich der Wirklichkeit entspricht, ist alles andere als einfach. Entsprechendes Gas in den Randregionen und der unmittelbaren Umgebung einer Galaxie ist viel zu stark verdünnt, als dass es nachweisbare Mengen von Licht aussenden würde. Astronomen suchen daher systematisch nach einer ganz bestimmten und seltenen Konstellation, die es ihnen möglich macht, mehr über das vermutete Gas zu erfahren. Dabei spielen Quasare eine wesentliche Rolle.

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Quasare sind Galaxien in einem kurzlebigen Zwischenstadium ihrer Entwicklung. Angetrieben durch Prozesse rund um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum wird eine solche Galaxie zwischenzeitlich zu einem der hellsten Objekte im Universum überhaupt. In einigen seltenen Fällen wird ein Quasar aus Sicht eines irdischen Beobachters zufällig direkt hinter einer der gesuchten intergalaktischen Gaswolken stehen. Dann absorbiert das Gas bestimmte Anteile des Quasarlichts.

Muster und Formen der dadurch entstehenden Absorptionslinien geben den Astronomen Informationen über Dichte, chemische Zusammensetzung und Temperatur des Gases. Auf diese Weise hat jetzt ein Astronomenteam unter der Leitung von Neil Crighton vom Max-Planck-Institut für Astronomie, der inzwischen an der Swinburne University of Technology arbeitet, das bislang überzeugendste Beispiel für Gas aus einem der intergalaktischen Reservoirs aufgespürt, das in eine Galaxie fließt.

Die Galaxie mit der Katalognummer Q1442-MD50 ist so weit von uns entfernt, dass ihr Licht elf Milliarden Jahre benötigt hat, um uns zu erreichen. Das einströmende Gas befindet sich, nach galaktischen Maßstäben beurteilt, direkt in der Nachbarschaft, nämlich nur 190.000 Lichtjahre von der Galaxie entfernt. Es verrät seine Anwesenheit, indem es einen Teil des Lichts des noch deutlich weiter entfernten Quasars QSO J1444535+291905 absorbiert.

Eine Besonderheit ist dabei, dass Crighton und seine Kollegen in der Gaswolke Spuren von schwerem Wasserstoff, sogenanntem Deuterium, nachweisen konnten. Die Atomkerne dieser und einiger weiterer Sorten von Elementen entstanden nach heutigem Wissen wenige Minuten nach dem Urknall. Alle schwereren Elemente, etwa Kohlenstoff oder Stickstoff, entstanden erst später, insbesondere im heißen Inneren von Sternen.

Deuterium allerdings kann in Sternen nicht erzeugt werden. Im Gegenteil wird bereits existierendes Deuterium unter den dort herrschenden Bedingungen sehr schnell zerstört. Die Anwesenheit von Deuterium zeigt daher an, dass es sich nicht um eine Wolke aus Gas handelt, die jemals Bestandteil eines Sterns war – sondern wohl tatsächlich um ursprüngliches Gas: um Materie aus den großen Wasserstoffreservoiren, die seit der Urknallphase chemisch so gut wie unverändert geblieben sind.

"Dies ist nicht das erste Mal, das Astronomen mithilfe eines Quasars Gas in der Nachbarschaft einer fernen Galaxie gefunden haben", so Crighton. "Aber es ist das erste Mal, dass alle Teile des Puzzles zusammenpassen: In der Galaxie, die wir beobachtet haben, entstehen gerade jetzt enorme Mengen von Sternen. Und für das Gas konnten wir zeigen, dass es sich tatsächlich um urtümliches Gas aus der Zeit direkt nach dem Urknall handelt."

Die Entdeckung des Systems gelang im Rahmen einer großangelegten Durchmusterung, bei welcher gezielt nach Quasaren gesucht wurde, die am Himmel in unmittelbarer Nähe von nähergelegenen Galaxien stehen. Koordiniert wird die Durchmusterung von Joseph Hennawi, der am Max-Planck-Institut für Astronomie die ENIGMA-Forschungsgruppe leitet. "Weil diese Entdeckung Teil einer systematischen Suche ist, können wir darauf schließen, dass derartige kalte Materieströme vergleichsweise häufig sind: Wir haben nämlich nur 12 Quasar-Galaxien-Paare ausfindig machen müssen, um auf dieses Beispiel zu stoßen. Das entspricht grob den Vorhersagen der Supercomputer-Simulationen - ein Grund zur Zuversicht, was unser Verständnis der Entstehung dieser Art von Galaxien angeht", so Hennawi.

Ziel der Astronomen ist es jetzt, insgesamt rund zehn ähnliche Beispiele für solche kalten Gasströme zu finden. Das würde noch wesentlich genauere Vergleiche der Beobachtungen mit den Vorhersagen numerischer Simulationen erlauben. Für die Suche nach weiteren Quasar-Galaxienpaaren nutzen die Forscher das Large Binocular Telescope in Arizona und das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile.

"In früheren Studien haben wir Anzeichen für Gas gefunden, das aus Galaxien hinausströmt. Aber mit Neils sehr viel genauerer Untersuchung können wir auch Zeichen dafür sehen, dass urtümliches Gas in die Galaxien strömt, und wir können nachvollziehen, wie viel Gas diese Galaxien zu welcher Zeit aufnehmen. Das ist eine Schlüsselinformation für unser Verständnis der Galaxienentstehung", erläutert J. Xavier Prochaska von der University of California at Santa Cruz, der an der Durchmusterung mitarbeitet.

Die Beobachtungen freuen auch die Theoretiker: "Dies ist ein sehr interessantes Resultat. Es passt zu der theoretischen Vorhersage - die sowohl auf physikalischen Überlegungen als auch auf kosmologischen Simulationen beruht - wie Galaxien bei hoher Rotverschiebung durch kalte Gasflüsse entlang des kosmischen Materienetzes gefüttert werden", so Avishai Dekel von der Hebräischen Universität Jerusalem, einer der Väter des Modells solcher kalten Gaszuflüsse in Galaxien. "Die niedrige Metallizität macht dies zu einem deutlich überzeugenderen Fall als in früheren Nachweisen."

Die Wissenschaftler berichten über ihre Beobachtungen in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal Letters.

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siehe auch
VLT: Das Wachstum junger Galaxien - 14. März 2012
Junges Universum: Entfernte Galaxie mit rasantem Wachstum - 3. Januar 2012
Spitzer: Überraschendes Wachstum entfernter Galaxien - 4. Juli 2011
Galaxienentwicklung: Rätselhafter Wachstumsstopp großer Galaxien - 26. April 2011
Links im WWW
Preprint des Fachartikel bei arXiv.org
Max-Planck-Institut für Astronomie
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