GALAXIEN
Die Entstehung einer Riesengalaxie
von Stefan Deiters
astronews.com
28. August 2014

Astronomen ist es gelungen, erstmals die frühste Phase der Entstehung einer massereichen Galaxie im jungen Universum zu beobachten. Mithilfe von Hubble und anderen Teleskopen untersuchten sie ein kompaktes System, in dem eine große Anzahl neuer Sterne entsteht. Es ist erheblich kleiner als unsere Milchstraße, hat aber bereits die doppelte Masse.

Winziger Punkt: der entstehende Galaxienkern GOODS-N-774 in einer Hubble-Aufnahme. Bild: NASA, ESA und E. Nelson (Yale University, USA)   [Großansicht]

Elliptische Galaxien sind große, gasarme Gebilde, in denen sich vor allem ältere Sterne finden und kaum noch neue Sonnen entstehen. Zusammen mit linsenförmigen Galaxien und Spiralgalaxien gehören sie zu den drei Haupttypen von Galaxien, die man heute im Universum beobachtet. Einige elliptische Galaxien sind wahre Giganten und dominieren als sogenannte elliptische Riesengalaxien ganze Galaxienhaufen.

Aktuelle Theorien über die Entstehung von solchen Systemen gehen davon aus, dass sich in einer frühen Phase ihrer Entwicklung zunächst kompakte Kerne gebildet haben. In einem späteren Stadium wuchsen diese Galaxien dann vor allem durch Verschmelzungen mit anderen Systemen. Bislang war es den Astronomen allerdings nicht gelungen, einen direkten Beweis für diese vermutete erste Phase der Galaxienentwicklung zu finden.

Jetzt aber haben Forscher mit GOODS-N-774 ein Objekt entdeckt, bei dem es sich um einen gerade entstehenden Kern einer Galaxie handeln könnte, aus dem sich im Verlauf der Zeit eine elliptische Riesengalaxie entwickeln wird. Das Objekt ist so weit von der Erde entfernt, dass wir es zu einer Zeit sehen, in der das Universum gerade einmal rund drei Milliarden Jahre alt war.

"Diese Kernentstehung ist ein Phänomen, das es nur im jungen Universum gibt", erläutert Erica Nelson von der Yale University. "Heute findet man diese Art von Galaxienentstehung nicht mehr. Das Universum muss damals irgendwie die Entstehung von Galaxien auf diese Weise ermöglicht haben. In der Gegenwart gelingt das nicht mehr. Wir vermuten, dass das Universum damals kompaktere Objekte erzeugen konnte, weil es kurz nach dem Urknall selbst noch kompakter war. Jetzt ist seine Dichte viel geringer, so dass dies nicht mehr möglich ist."

Kompakt ist der entfernte Galaxienkern in der Tat: Obwohl er mit einem Durchmesser von etwa 6.000 Lichtjahren erheblich kleiner ist als die Milchstraße,  hat er schon etwa die doppelte Masse unserer Heimatgalaxie. Diese hat einen Durchmesser von rund 100.000 Lichtjahren. GOODS-N-774 könnte zudem nur einer von sehr vielen solchen Kernen sein, die sich im jungen Universum finden und von denen viele zu lichtschwach sind, um entdeckt zu werden.

Nachdem das Team die Größe der Galaxie mithilfe von Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Hubble bestimmt hatte, suchten sie in den Archiven der Infrarot-Weltraumteleskope Spitzer und Herschel nach weiteren Beobachtungen von GOODS-N-774, um die Sternentstehungsrate in dem System abschätzen zu können. Mit Erfolg: Offenbar entstehen in dem fernen Kern etwa 300 neue Sterne in jedem Jahr. "Zum Vergleich: In der Milchstraße entstehen pro Jahr etwa dreißig Mal weniger Sterne, nämlich nur etwa zehn Sterne pro Jahr", so Marijn Franx von der Universität in Leiden. "Dies ist wirklich eine sehr hohe Sternentstehungsrate."

Für diese extrem hohe Sternentstehungsaktivität machen Astronomen Dunkle Materie verantwortlich, die durch ihre Massenwirkung Gas ins Zentrum der Galaxie leitet. Das Universum ist, so die aktuellen kosmologischen Modelle, von einem Netz aus Dunkler Materie durchzogen. In den Knotenpunkten, also an Orten mit sehr viel Materie, kann sich bevorzugt normale Materie sammeln und es können so Strukturen wie Galaxien entstehen.

"Es gibt dort extreme Umweltbedingungen", erläutert Nelson. "Es ist wie ein mittelalterlicher Kessel, in dem Sterne geschmiedet werden. Es gibt viele Turbulenzen und es blubbert. Wenn man sich dort aufhalten würde, wäre der Nachthimmel von jungen Sternen hell erleuchtet und es gäbe sehr viel Staub, Gas und Überreste von explodierenden Sternen. Das hier vor sich zu haben, ist schon sehr faszinierend."

Der durch die extreme Sternentstehung entstandene Staub könnte auch erklären, warum solche entstehenden Galaxienkerne den Astronomen bislang nicht aufgefallen waren: Der Staub verschluckt einen Teil des Lichts der Sterne. Auch GOODS-N-774 war trotz Infrarotbeobachtungen mit der modernen Wide Field Camera 3 an Bord von Hubble nur gerade eben zu sehen.

"In dieser Galaxie scheinen schon seit über einer Milliarde Jahren mit einer enormen Rate neue Sterne zu entstehen", so Franx. "Wir haben sie sehr früh in ihrem Leben entdeckt. In Kürze dürfte die Sternentstehung im Kern zum Erliegen kommen und kleinere Galaxien werden mit dem System im Laufe der folgenden zehn Milliarden Jahre verschmelzen. Es wird dadurch immer weiter anwachsen. Schließlich wird es den gewaltigen alten elliptischen Galaxien ähneln, die wir heute beobachten können."

"Wir haben nach dieser Galaxie viele Jahre gesucht und sind begeistert, dass wir sie nun endlich gefunden haben", ergänzt Peiter van Dokkum von der Yale University. "Die große Herausforderung ist nun, die physikalischen Prozesse zu verstehen, die die Entstehung solcher Objekte ermöglichen. Das James Webb Space Telescope, der Nachfolger von Hubble, wird uns helfen, darauf eine Antwort zu finden."

Über ihre Beobachtungen berichten die Astronomen in der aktuellen Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift Nature.