Gas und Staub aus kosmischer Urzeit

Ein internationales Astronomenteam unter der Leitung von Nicolas Laporte vom University College London hat mit dem Atacama Large Millimeter/­submillimeter Array (ALMA) das Objekt A2744_YD4, die jüngste und entfernteste je mit ALMA beobachtete Galaxie, genauer unter die Lupe genommen. Sie waren überrascht angesichts der großen Mengen inter­stellaren Staubs in der jungen Galaxie – Staub, der sich beim Tod einer früheren Generation an Sternen gebildet hat.

Durch Nachfolgebeobachtungen mit dem Instrument X-shooter am Very Large Telescope der ESO konnten die Forscher die große Entfernung zu A2744_YD4 bestätigen. Wir sehen die Galaxie zu einem Zeitpunkt, als das Universum gerade einmal 600 Millionen Jahre alt war. In dieser Phase haben sich im Universum die ersten Sterne und Galaxien gebildet.

„A2744_YD4 ist nicht nur die entfernteste Galaxie, die je mit ALMA beobachtet wurde”, erläutert Nicolas Laporte, „Die Entdeckung so großer Mengen Staub ist auch ein Hinweis darauf, dass bereits sehr früh Supernovae statt­gefunden haben.“

Kosmischer Staub besteht hauptsächlich aus Silizium-, Kohlenstoff- und Aluminium­körnern, die einen Durchmesser von einem millionstel Zentimeter haben. Die chemischen Elemente in diesen Körnern entstehen innerhalb von Sternen und werden beim Tod der Sterne in den Kosmos gestreut. Die spektakulärste Weise, auf die das passieren kann, ist eine Supernova-Explosion – das Schicksal, das allen kurz­lebigen, massereichen Sternen am Ende ihres Lebens bevorsteht. Heutzutage ist dieser Staub im Überfluss vorhanden und ein entscheidender Baustein in der Entstehung von Sternen, Planeten und komplexen Molekülen. Im frühen Universum, vor dem Tod der ersten Generation an Sternen, kam er jedoch selten vor.

Die Beobachtungen der staubhaltigen Galaxie A2744_YD4 waren möglich, da sie hinter einem massereichen Galaxienhaufen namens Abell 2744 liegt. Durch den Gravitations­linsen­effekt wirkt der Haufen wie ein riesiges kosmisches „Teleskop” und verstärkt das Licht der entfernteren Galaxie A2744_YD4 um das etwa 1,8-Fache, sodass das Astronomen­team weit in das frühe Universum zurückblicken kann.

Im Rahmen der ALMA-Beobachtungen entdeckten sie auch, dass die Galaxie A2247_YD4 durch Emission ionisierten Sauerstoffs leuchtet. Hierbei handelt es sich um die entfernteste, und damit auch früheste, Entdeckung von Sauerstoff im Universum, die den bisherigen Rekord von ALMA aus dem Jahr 2016 übertrifft.

Die Entdeckung von Staub im frühen Universum liefert neue Informationen darüber, wann die ersten heißen Sterne als Supernovae explodierten und das Universum hell erleuchteten. Die Bestimmung des Zeitpunkts der „kosmischen Dämmerung“ gilt als heiliger Gral der modernen Astronomie und kann indirekt durch die Untersuchung frühen inter­stellaren Staubs gelingen.

Das Team schätzt, dass A2744_YD4 eine Menge an Staub enthält, die dem 6-Millionenfachen der Sonnenmasse entspricht, wohingegen die gesamte stellare Masse der Galaxie – die Summe der Massen aller Sterne – äquivalent zu 2 Milliarden Sonnen­massen ist. Das Team maß auch die Sternentstehungsrate in A2744_YD4 und fand heraus, dass sich Sterne mit einer Rate von 20 Sonnen­massen pro Jahr neu bildeten – in der Milch­straße beträgt dieser Wert eine Sonnen­masse pro Jahr.

„Solch eine Rate ist für eine so ferne Galaxie nicht ungewöhnlich, aber sie macht deutlich, wie schnell der Staub in A2744_YD4 entstanden ist“, erklärt Richard Ellis (ESO und University College London), ein Koautor der neuen Studie. „Bemerkenswerter­weise beträgt die erforderliche Zeit nur etwa 200 Millionen Jahre – wir beobachten diese Galaxie also kurz nach ihrer Entstehung.“

Das bedeutet, dass die Sternentstehung schätzungs­weise 200 Millionen Jahre vor der Phase begann, in der wir die Galaxie heute beobachten. Somit bietet sich für ALMA eine gute Gelegenheit, die Epoche zu untersuchen, in der die ersten Sterne und Galaxien das Universum erleuchtet haben – der früheste Zeitraum, der bisher erforscht wurde. „Mit ALMA sind die Erfolgs­aussichten hinsichtlich tieferer und umfassenderer Beobachtungen ähnlicher Galaxien zu dieser frühen Zeit sehr vielversprechend“, meint Ellis. Laporte kommt zu dem Schluss: „Weitere Messungen dieser Art bieten die spannende Möglichkeit, die frühe Stern­entstehung und die Bildung schwererer chemischer Elemente noch weiter in das frühe Universum zurück­verfolgen zu können.“

MPIA / DE