Astronomen entdecken riesige Sternenfabrik im frühen Universum

Kleiner zeugt größer.


Dies ist zumindest bei Galaxien häufig der Fall: Die ersten Galaxien waren klein und verschmolzen schließlich zu den Giganten, die wir im heutigen Universum sehen.

Diese kleineren Galaxien produzierten in bescheidener Geschwindigkeit Sterne; erst später – als das Universum ein paar Milliarden Jahre alt war – begann sich die überwiegende Mehrheit der größeren Galaxien zu bilden und sammelte genug Gas und Staub an, um produktive Sternenfabriken zu werden. Tatsächlich haben Astronomen beobachtet, dass diese Sternenfabriken – Starburst-Galaxien genannt – einige Milliarden Jahre nach dem Urknall weit verbreitet waren.


M82

Größer anzeigen | Dies ist M82, der Prototyp einer nahegelegenen Starburst-Galaxie. Sie ist nur 12 Millionen Lichtjahre entfernt und produziert Sterne zehnmal schneller als unsere gesamte Galaxie. Heute – 17. April 2013 – kündigten CalTech-Astronomen eine sehr weit entfernte Starburst-Galaxie an. Es ist Milliarden Lichtjahre entfernt und befindet sich im frühen Universum. Es erzeugt das Massenäquivalent von 2.900 Sonnen pro Jahr. Kredit über NASA/ESA/Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Aber jetzt hat ein Team von Astronomen, zu denen mehrere vom California Institute of Technology (Caltech) gehören, eine staubgefüllte, massereiche Galaxie entdeckt, die Sterne hervorbrachte, als der Kosmos nur 880 Millionen Jahre alt war – und damit die früheste Starburst-Galaxie aller Zeiten beobachtet.

Die Galaxie ist ungefähr so ​​massereich wie unsere Milchstraße, produziert aber Sterne mit einer 2.000-fach höheren Geschwindigkeit, was einer Geschwindigkeit entspricht, die so hoch ist wie bei jeder Galaxie im Universum. Mit dem Massenäquivalent von 2.900 Sonnen pro Jahr ist die Galaxie besonders beeindruckend – was das Team dazu veranlasst, sie als „Maximum-Starburst“-Galaxie zu bezeichnen.

„Massive, intensive Starburst-Galaxien werden voraussichtlich erst zu späteren kosmischen Zeiten erscheinen“, sagt Dominik Riechers, der die Forschung als Senior Research Fellow am Caltech leitete. „Dennoch haben wir diesen kolossalen Starburst nur 880 Millionen Jahre nach dem Urknall entdeckt, als das Universum etwas mehr als 6 Prozent seines heutigen Alters hatte.“ Heute ist Riechers Assistenzprofessor bei Cornell und der erste Autor des Papiers, das die Ergebnisse in der Ausgabe vom 18. April der Zeitschrift Nature beschreibt.




Künstlerische Darstellung der Starburst-Galaxie HFLS3. Auf Bildern, die aus der Nähe der Erde aufgenommen wurden, erscheint es kaum mehr als ein schwacher roter Fleck, aber es ist tatsächlich eine Sternenfabrik, die Sterne 2.000-mal schneller als unsere Milchstraße macht. Bild über CalTech.

Künstlerische Darstellung der Starburst-Galaxie HFLS3. Auf Bildern, die in der Nähe der Erde aufgenommen wurden, erscheint es als kaum mehr als ein schwacher roter Fleck, aber es ist tatsächlich eine Sternenfabrik, die Sterne 2.000-mal schneller macht als unsere Milchstraße. Bild über CalTech.

Während die Entdeckung dieser einzigen Galaxie nicht ausreicht, um die aktuellen Theorien zur Galaxienentstehung zu widerlegen, könnte das Auffinden weiterer Galaxien wie dieser diese Theorien in Frage stellen, sagen die Astronomen. Zumindest müssen Theorien modifiziert werden, um zu erklären, wie diese Galaxie namens HFLS3 entstand, sagt Riechers.

„Diese Galaxie ist nur ein spektakuläres Beispiel, aber sie sagt uns, dass schon früh im Universum eine extrem starke Sternentstehung möglich war“, sagt Jamie Bock, Physikprofessor am Caltech und Mitautor der Studie.

Die Astronomen fanden HFLS3 voller Moleküle wie Kohlenmonoxid, Ammoniak, Hydroxid und sogar Wasser. Da die meisten Elemente des Universums – außer Wasserstoff und Helium – in den Kernöfen von Sternen verschmolzen werden, weist eine so reiche und vielfältige chemische Zusammensetzung auf eine aktive Sternentstehung hin. Und tatsächlich, sagt Bock, ähnelt die chemische Zusammensetzung von HFLS3 der anderer bekannter Starburst-Galaxien, die später in der kosmischen Geschichte existierten.


Die Galaxie HFLS3 erscheint in diesen Bildern des Herschel-Submillimeter-Teleskops als kleiner roter Punkt. Bild über ESA/Herschel/HerMES/IRAM/GTC/W.M. Keck-Observatorium

Die Galaxie HFLS3 erscheint in diesen Bildern des Herschel-Submillimeter-Teleskops als kleiner roter Punkt. Bild über ESA/Herschel/HerMES/IRAM/GTC/W.M. Keck-Observatorium

Letzten Monat entdeckte ein vom Caltech geführtes Astronomenteam – von dem einige auch Autoren dieser neueren Arbeit sind – Dutzende ähnlicher Galaxien, die bereits 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall Sterne produzierten. Aber keiner von ihnen existierte so früh wie HFLS3, das viel genauer untersucht wurde.

Diese früheren Beobachtungen wurden durch Gravitationslinsen ermöglicht, bei denen große Vordergrundgalaxien als kosmische Lupen fungieren, das Licht der Starburst-Galaxien biegen und ihre Entdeckung erleichtern. HFLS3 hingegen ist, wenn überhaupt, nur schwach objektiv. Die Tatsache, dass sie ohne Objektive nachweisbar war, bedeutet, dass sie im fernen Infrarotlicht an sich eine helle Galaxie ist – fast 30 Billionen Mal so leuchtend wie die Sonne und 2.000 Mal leuchtender als die Milchstraße.

Da die Galaxie in Staub gehüllt ist, ist sie im sichtbaren Licht sehr schwach. Die Sterne der Galaxie erhitzen den Staub jedoch, sodass er in infraroten Wellenlängen strahlt. Die Astronomen konnten HFLS3 finden, als sie Daten des Herschel-Weltraumobservatoriums der Europäischen Weltraumorganisation ESA durchsuchten, das das Infrarotuniversum untersucht. Die Daten waren Teil des Herschel Multi-Tiered Extragalactic Survey (HerMES), einem von Bock koordinierten Versuch, mit Herschel einen großen Teil des Himmels (ungefähr 1.300 Mal so groß wie der Mond) zu beobachten.


Inmitten der Tausenden von Galaxien, die bei der Durchmusterung entdeckt wurden, erschien HFLS3 nur als schwacher Punkt – aber als besonders roter. Das erregte die Aufmerksamkeit von Darren Dowell, einem Gastmitarbeiter bei Caltech, der die HerMES-Daten analysierte. Die Rötung des Objekts bedeutete, dass sein Licht durch die Expansion des Universums erheblich zu längeren (und röteren) Wellenlängen gestreckt wurde. Je weiter ein Objekt entfernt ist, desto mehr wird sein Licht gestreckt, und daher wäre eine sehr rote Quelle sehr weit entfernt. Die einzige andere Möglichkeit wäre, dass – weil kühlere Objekte Licht mit längeren Wellenlängen emittieren – das Objekt ungewöhnlich kalt sein könnte; Die Analyse der Astronomen schloss diese Möglichkeit jedoch aus. Da das Licht Milliarden von Jahren braucht, um durch den Weltraum zu reisen, ist das Sehen eines so weit entfernten Objekts gleichbedeutend mit einem Blick in die Vergangenheit. „Wir hatten gehofft, in großen Entfernungen eine massereiche Starburst-Galaxie zu finden, aber wir hatten nicht erwartet, dass es so früh im Universum überhaupt eine gibt“, sagt Riechers.

Um HFLS3 weiter zu untersuchen, zoomten die Astronomen mit mehreren anderen Teleskopen heran. Mit dem Combined Array for Research in Millimeter-Wave Astronomy (CARMA) – einer Reihe von Teleskopschüsseln, die Caltech in den kalifornischen Inyo Mountains unterstützt – sowie dem Z-Spec-Instrument am Caltech Submillimeter Observatory auf Mauna Kea in Hawaii, Das Team konnte die chemische Zusammensetzung der Galaxie im Detail untersuchen – insbesondere das Vorhandensein von Wasser und Kohlenmonoxid – und ihre Entfernung messen. Die Forscher verwendeten auch das 10-Meter-Teleskop am W. M. Keck-Observatorium auf dem Mauna Kea, um zu bestimmen, inwieweit HFLS3 eine Gravitationslinse hat.

Diese Galaxie ist das erste derartige Objekt im HerMES-Survey, das im Detail analysiert wurde. Diese Art von Galaxie ist selten, sagen die Astronomen, aber um festzustellen, wie selten sie sind, werden sie weitere Folgestudien durchführen, um zu sehen, ob sie mehr davon in den HerMES-Daten lauern können. Diese Ergebnisse weisen auch darauf hin, was bald mit größeren Infrarot-Observatorien wie dem neuen Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in Chile und dem geplanten Cerro Chajnantor Atacama Telescope (CCAT) entdeckt werden könnte, von dem Caltech eine Partnerinstitution ist.

Über Caltech