ALMA
Galaxienwachstum im jungen Universum
von Stefan Deiters
astronews.com
23. Juli 2015

Mithilfe des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist es Astronomen jetzt gelungen, Gas in einer Galaxie im jungen Universum zu entdecken, aus dem sich gerade neue Sterne bilden. Erstmals sind diese ersten Galaxien für die Wissenschaftler damit mehr als nur ein entfernter schwacher Lichtpunkt. Die Beobachtungen liefern Hinweise auf das Wachstum dieser ersten Galaxien.

Dieses Bild entstand aus Daten des Very Large Telescope und von ALMA. Das mit ALMA entdeckte Leuchten des Kohlenstoffs ist orange dargestellt, direkt daneben ist die zugehörige Galaxie BDF 3299 zu sehen.  Bild: ESO / R. Maiolino  [Großansicht]

Einige Hundert Millionen Jahre nach dem Urknall war das Universum von einem dichten Nebel aus Wasserstoffgas erfüllt. Dieser neutrale Wasserstoff machte das Universum praktisch undurchsichtig. Erst die intensive ultraviolette Strahlung der ersten Sonnen und auch die aus der Umgebung der ersten aktiven supermassereichen Schwarzen Löcher ionisierte das Gas und machte das Universum durchsichtig.

Bei Beobachtungen selbst mit den größten Teleskopen erschienen die ersten Galaxien in dieser sogenannten Reionisationsphase des jungen Universums nur als äußerst lichtschwache Flecken. Mithilfe des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), einem Verbund von Radioteleskopen in der chilenischen Atacamawüste, hat nun einer dieser entfernten Flecken etwas mehr Struktur bekommen.

Ein Astronomenteam um Roberto Maiolino vom Cavendish Laboratory und dem Kavli Institute for Cosmology an der University of Cambridge hat mit ALMA Galaxien anvisiert, die so weit von uns entfernt sind, dass wir sie in einer Zeit beobachten, in der das Universum nur 800 Millionen Jahre alt war. Dabei interessierte die Wissenschaftler nicht etwa das Licht der Sterne in den Galaxien, sondern sie suchten nach der Strahlung von ionisiertem Kohlenstoff, der sich in Gaswolken befindet, in denen gerade Sterne entstehen. So wollten die Forscher die Wechselwirkungen zwischen der neuen Sterngeneration und den kalten Klumpen aus Gas in den ersten Galaxien untersuchen.

Im Fokus standen zudem nicht die besonders auffälligen Systeme, die beispielsweise gerade eine heftige Sternentstehungsphase durchlaufen oder aber über ein aktives supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum verfügen, sondern eher ganz "normale" Galaxien in dieser Epoche des Universums. Diese sind zwar weniger auffällig, dafür aber wohl auch häufiger, als die meisten bislang beobachteten helleren Systeme. Es dürften diese "normalen" Galaxien gewesen sein, aus denen sich dann im Laufe der Zeit die Galaxien entwickelten, die wir heute in unserer Umgebung sehen.

Bei einer Galaxie mit der Bezeichnung BDF 3299 gelang es den Astronomen tatsächlich, die Signatur von Kohlenstoff nachzuweisen. Dieses Leuchten kam jedoch nicht etwa aus dem Zentrum der Galaxie, sondern aus einer Region auf einer Seite des Systems.

"Dies ist der Nachweis der am weitesten entfernten, jemals beobachteten Emission dieser Art von einer 'normalen' Galaxie, die wir in dem Stadium sehen, in dem sie sich weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall befand", so Teammitglied Andrea Ferrara von der Scuola Normale Superiore im italienischen Pisa. "Damit haben wir die Gelegenheit, die Entstehung der ersten Galaxien zu beobachten. Zum ersten Mal sehen wir frühe Galaxien nicht nur als winzigen Lichtfleck, sondern als Objekte mit einer inneren Struktur."

Die Astronomen vermuten, dass die Position der Emission darauf hindeutet, dass die vergleichbaren Wolken im Zentrum der Galaxie durch die intensive Strahlung der dort entstandenen neuen Sterne und auch durch Supernova-Explosionen zerstört worden sind. Der leuchtende Kohlenstoff, so die These, steht für frisches kaltes Gas, das aus dem intergalaktischen Medium in die Galaxie strömt.

Die Abläufe in jungen Galaxien und das Wechselspiel zwischen den dortigen jungen Sternen, der Strahlung, den Wolken aus Gas und dem interstellaren Medium, können inzwischen mit Computersimulationen nachvollzogen werden, deren Ergebnisse sich dann mit Beobachtungen vergleichen lassen. Die Forscher vermuten, dass BDF 3299 ein ganz typisches Beispiel für eine Galaxie in der Epoche der Reionisation ist.

"Wir versuchen schon seit Jahren, das interstellare Medium und die Entstehung der Verursacher der Reionisation zu verstehen", so Ferrara. "Dass wir nun endlich unsere Vorhersagen und Hypothesen mit realen Daten von ALMA vergleichen können, ist ein aufregender Moment und führt auch zu einer ganzen Reihe neuer Fragen. Derartige Beobachtungen werden viele der hartnäckigen Probleme lösen helfen, die wir mit der Bildung der ersten Sterne und Galaxien im Universum haben."

Und Maiolino ergänzt: "Diese Studie wäre ohne ALMA einfach unmöglich gewesen, da kein anderes Instrument die erforderliche Empfindlichkeit und räumliche Auflösung hat. Obwohl dies eine der bislang umfangreichsten Beobachtungen mit ALMA ist, reizt sie doch lange noch nicht alle Möglichkeiten von ALMA aus. In Zukunft wird uns ALMA Bilder von der Feinstruktur primordialer Galaxien liefern und die Entstehung der ersten Galaxien im Detail verfolgen lassen."

Über ihre Ergebnisse berichten die Astronomen in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen ist.