Erste Galaxien im Blick

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ALMA hat die entferntesten Gaswolken von Stern­entstehungs­regionen entdeckt, die je in Galaxien des frühen Universums gefunden wurden. Die neuen Beobach­tungen erlauben den Astronomen erstmals zu sehen, wie die ersten Galaxien entstanden sind und wie sie den kosmischen Nebel in der Ära der Reionisation aufgelöst haben. Dies ist das erste Mal, dass von solchen Galaxien mehr als nur ein schwacher Lichtfleck sichtbar ist.

Als die ersten Galaxien sich wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall bildeten, war das Universum erfüllt von einem Nebel aus Wasserstoffgas. Aber als mehr und mehr leuchtkräftige Quellen – sowohl Sterne als auch die von gewaltigen schwarzen Löchern angetriebenen Quasare – anfingen zu leuchten, lösten sie den Nebel auf und machten das Universum transparent für ultra­violettes Licht. Astronomen nennen dies die Epoche der Reionisation. Über diese ersten Galaxien ist allerdings nur wenig bekannt und bis jetzt hat man sie höchstens als sehr schwache Lichtflecke wahrgenommen. Nun jedoch beginnen neue Beobachtungen dank der Leistungs­fähigkeit von ALMA dies zu ändern.

Ein Team von Astronomen, angeführt von Roberto Maiolino vom Cavendish Laboratory und vom Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge in Großbritannien haben ALMA auf Galaxien gerichtet, von denen man weiß, dass man sie im Zustand nur 800 Millionen Jahre nach dem Urknall sieht. Die Forscher waren dabei nicht am Licht der Sterne interessiert, sondern an dem schwachen Leuchten ionisierten Kohlenstoffs. Dieses geht von den Gaswolken aus, aus denen sich Sterne bilden.

Die Astronomen wollten die Wechselwirkung zwischen der jungen Generation von Sternen und den kalten Klumpen studieren, die sich gerade zu diesen frühen Galaxien verdichteten. Sie schauten deshalb nicht nach den extrem hellen und seltenen Objekten, wie Quasaren oder Galaxien mit sehr hoher Stern­entstehungs­rate, die man bislang untersucht hatte. Stattdessen konzen­trierten sie sich auf die weniger dramatischen, jedoch häufiger vorkom­menden Galaxien, die das Universum reioni­siert haben, und die sich dann zu der Mehrzahl von Galaxien weiter­entwickelt haben, die uns heute umgeben. Von einer der Galaxien – sie erhielt die Bezeichnung BDF2399 – konnte ALMA ein schwaches, aber deutliches Signal von leuchtendem Kohlenstoff empfangen. Dieses Leuchten kommt jedoch nicht vom Zentrum der Galaxie, sondern von einer Seite.

Andrea Ferrara von der Scuola Normale Superiore im italienischen Pisa erklärt die Bedeutung der neuen Ergebnisse: „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. 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 glauben, dass die exzentrische Position des Glimmens daher rührt, dass die zentrums­nahen Wolken in der rauen Umgebung neu gebildeter Sterne zerstreut werden – sowohl durch deren intensive Strahlung, als auch durch die Folgen von Supernovaexplosionen. Das Kohlenstoffleuchten markiert hingegen das kühle, frische Gas, das aus dem intergalaktischen Medium aufgesammelt wird.

Über die Kombination der neuen ALMA-Beobachtungen mit Computer­simula­tionen wurde es möglich, Schlüssel­prozesse bei der Bildung der ersten Galaxien im Detail zu verstehen. Die Effekte der Strahlung von Sternen, das Über­leben von Molekül­wolken, das Entkommen von ionisierter Strahlung sowie die komplexe Struktur des inter­stellaren Mediums lassen sich jetzt berechnen und mit Beobachtungen vergleichen. BDF2399 ist wahrscheinlich ein typisches Beispiel für die Galaxien, die für die Reionisation maßgeblich verantwortlich sind.

„Wir versuchen schon seit Jahren, das interstellare Medium und die Bildung der Verursacher der Reioni­sation zu verstehen. Dass wir nun endlich unsere Vorhersagen und Hypothesen mit realen Daten von ALMA vergleichen können, ist ein aufregender Moment und eröffnet eine neue Welle von Fragen. Derartige Beobachtungen werden viele der hartnäckigen Probleme zu lösen helfen, die wir mit der Bildung der ersten Sterne und Galaxien im Universum haben”, fügt Ferrara hinzu.

Maiolino resümiert: „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 bei weitem noch nicht seine Möglich­keiten aus. In Zukunft wird uns ALMA Bilder von der Feinstruktur primor­dialer Galaxien liefern und die Entstehung der ersten Galaxien im Detail aufzuklären helfen.”

ESO / DE