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Wie sich Riesengalaxien im jungen Universum bilden konnten
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
13. Februar 2026
Die Existenz massereicher elliptischer Galaxien im frühen
Universum gibt der Astronomie seit zwei Jahrzehnten Rätsel auf. Nun lieferten
detaillierte Beobachtungen einer der spektakulärsten Galaxienansammlungen im
jungen Universum mit dem Teleskopverbund ALMA neue Erkenntnisse zur Klärung
dieser offenen Frage der Galaxienentstehung.
Ansammlungen junger Galaxien im frühen
Universum, die später zu großen Galaxienhaufen
heranwachsen, werden als Protocluster bezeichnet.
Diese künstlerische Darstellung des Protoclusters
SPT2349-56 zeigt wechselwirkende Galaxien
unterschiedlicher Form und Größe sowie Gas
(orange), das durch Gezeitenkräfte
auseinandergerissen und erhitzt wird. Aufgrund
seiner großen Entfernung von der Erde sehen wir
SPT2349-56 so, wie er nur 1,4 Milliarden Jahre
nach dem Urknall aussah, als das Universum zehn
Prozent seines heutigen Alters hatte. Bild: N.
Sulzenauer, MPIfR [Großansicht] |
Eine überraschende Beobachtung bereitet der Astronomie seit zwei Jahrzehnten
Kopfzerbrechen: Nur wenige Milliarden Jahre nach dem Urknall existierten bereits
massereiche und entwickelte Galaxien. Forschende hatten erwartet, in dieser
frühen Phase der Geschichte unseres Universums nur Galaxien mit jungen Sternen
und aktiver Sternentstehung zu finden. Stattdessen gibt es viele elliptische
Galaxien mit älteren Sternpopulationen und sehr wenig kaltem Gas, aus dem neue
Sterne entstehen könnten. Diese Beobachtungen stellen eine Herausforderung für
Modelle dar, die das Entstehen von Strukturen im Kosmos beschreiben.
Die Gruppe unter der Leitung von Nikolaus Sulzenauer und Axel Weiß vom
Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) hat nun große Fortschritte beim
Verständnis dieser Systeme erzielt. "In einem Universum, in dem größere Galaxien
mit kleineren wechselwirken und durch das Verschmelzen mit diesen hierarchisch
wachsen, müssen sich einige riesige elliptische Galaxien völlig anders gebildet
haben als bisher angenommen. Anstatt über 14 Milliarden Jahre hinweg langsam
Masse anzusammeln, könnte eine massereiche elliptische Galaxie in nur wenigen
hundert Millionen Jahren entstehen. Sie kann sich durch den Kollaps und das
Verschmelzen einer großen Urstruktur bilden, in der Zeit, die die Sonne
benötigt, um einmal um das Zentrum der Milchstraße zu kreisen", erklärt
Sulzenauer, Doktorand am MPIfR und der Universität Bonn.
"Wir haben festgestellt, dass sich die Strukturen mit den höchsten Dichten
bereits bei nur zehn Prozent des aktuellen kosmischen Alters von der Expansion
des Universums entkoppelt haben müssen. Anschließend haben sie schnell ganze
Protocluster gebildet", so Sulzenauer weiter. Das durch den Kollaps verdichtete
Gas löst ein kosmisches Feuerwerk aus, das durch Sternentstehung angetrieben
wird und unglaublich hell ist. Es ist ein Leuchtfeuer im fernen Infrarot- bis
Millimeterbereich und somit für Observatorien wie dem Atacama Large
Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und das Atacama Pathfinder
Experiment (APEX) zugänglich.
Das Team beobachtete mit ALMA das kalte Gas und den Staub im Zentrum von
SPT2349-56, einem Protocluster im südlichen Sternbild Phönix, das nur 1,4
Milliarden Jahre nach dem Urknall zu sehen ist. SPT2349-56 ermöglicht einen
seltenen Einblick in die ersten Galaxienhaufen, die Ursprungsorte massereicher
elliptischer Galaxien. "SPT2349-56 hält den Rekord für die aktivste
Sternfabrik", bemerkt Weiß, der auch an der ursprünglichen Entdeckung von
SPT2349-56 mit APEX beteiligt war. "Im Zentrum fanden wir vier eng miteinander
wechselwirkende Galaxien, die alle 40 Minuten einen Stern hervorbringen", fügt
Ryley Hill von der University of British Columbia in Kanada hinzu. Zum
Vergleich: In der Milchstraße dauert es derzeit ein ganzes Jahr, bis sich drei
oder vier Sterne bilden.
"Wichtig ist", betont Sulzenauer, "dass dieses Galaxienquartett riesige,
zusammenhängende Gezeitenarme mit einer Geschwindigkeit von 300 Kilometern pro
Sekunde ausstößt. Diese erstrecken sich über einen Bereich, der viel größer ist
als die Milchstraße, und sie leuchten intensiv im Submillimeterbereich.
Stoßwellen, die ionisierte Kohlenstoffatome anregen, verstärken ihre Helligkeit
dabei um das Zehnfache. Dank dieser hellen Emission konnten wir die Bewegung des
Gases präzise vermessen. Die Gasklumpen in den spiralförmigen Armen ähneln den
Perlen einer Kette, die den Kern des Protoclusters umgeben. Zu unserer
Überraschung sind die Klumpen mit 20 weiteren Galaxien verbunden, die sich in
den Außenbereichen der kollabierenden Struktur befinden. Dies deutet auf einen
gemeinsamen Ursprung hin. Zum ersten Mal beobachten wir den Beginn einer
kaskadenartigen Verschmelzung. Die meisten der 40 gasreichen Galaxien in diesem
Kern werden zerstört werden und schließlich in weniger als 300 Millionen Jahren
– einem Wimpernschlag – eine einzige, riesige elliptische Galaxie bilden."
Duncan MacIntyre und Joel Tsuchitori, zwei Studenten der University of
British Columbia und Mitglieder des Teams, führten detaillierte numerische
Simulationen durch. Diese waren unerlässlich, um die Beobachtungen des Kollapses
dieses Protoclusters mit früheren Studien zu entwickelten Galaxienhaufen zu
verknüpfen. Es gibt eine auffällige Übereinstimmung zwischen diesen beiden Arten
von Objekten, die zu unterschiedlichen kosmischen Zeitpunkten gefunden werden.
Dies könnte nicht nur erklären, dass das zeitgleiche Verschmelzen großer
Strukturen für das Entstehen massereicher Galaxien bedeutsam ist, sondern auch,
wie Galaxienhaufen mit schweren Elementen (wie Kohlenstoff) angereichert und
erhitzt wurden.
"Unsere Ergebnisse liefern zwar spannende neue Einblicke in die schnelle
Entstehung elliptischer Galaxien, doch verschiedene Wechselwirkungen bleiben
weiterhin ein großes Rätsel. Dazu zählen die Wechselwirkungen zwischen den
Stoßwellen und dem Erhitzen von Gas durch das Wachstum extrem massereicher
Schwarzer Löcher sowie deren Auswirkungen auf den Treibstoff für die
Sternentstehung", bemerkt Scott Chapman von der Dalhousie University.
"Es ist vielleicht noch zu früh, um zu behaupten, dass wir die 'frühe Kindheit'
der riesigen elliptischen Galaxien vollständig verstehen. Wir sind jedoch schon
weit gekommen, was die Verbindung zwischen den Gezeitenarmen in Protoclustern
und dem Entstehungsprozess massereicher Galaxien in den heutigen Galaxienhaufen
angeht."
Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift
The Astrophyiscal Journal veröffentlicht.
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