Rekord-Galaxie im jungen Kosmos

Bereits wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall gab es Sterne und Galaxien, wie beispiels­weise tiefe Auf­nahmen des Welt­raum­tele­skops Hubble belegen. Doch bei der Frage, wann und wie die ersten Sterne und die ersten Galaxien genau ent­standen sind, tappen die Astro­nomen noch im sprich­wört­lichen Dunkeln. Die ent­schei­denden Pro­zesse für die Ent­stehung von Sternen und Galaxien sind einer­seits Akkre­tion, die Ver­dich­tung von Materie unter dem Ein­fluss der Schwer­kraft, und anderer­seits die Abküh­lung des sich ver­dich­tenden Gases. Denn ohne eine effek­tive Kühlung würde der wach­sende Druck den Akkre­tions­pro­zess früh­zeitig stoppen.

Bislang fehlen jedoch Beobachtungen, die den Forschern einen Ein­blick in diese ent­schei­dende Phase der kosmischen Ent­wick­lung liefern könnten. Doch alle Hoff­nung ist nicht ver­loren, wie jetzt Takuya Hashi­moto von der Osaka Sangyo Univer­sity in Japan und seine Kollegen zeigen. Extrem genaue Messungen des Teams mit ALMA, dem Atacama Large Milli­meter/Submilli­meter Array, einer aus 66 Antennen bestehenden Radio­tele­skop­anlage auf der Chajnantor-Hoch­ebene in der chile­nischen Atacama-Wüste, zeigen, dass in der Galaxie MACS1149-JD1 bereits 250 Millionen Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne ent­standen. „Unsere Ergeb­nisse zeigen, dass es mit zukünf­tigen Tele­skopen möglich sein könnte, die ersten Epi­soden der Stern­ent­stehung in ähn­lichen Galaxien direkt zu beob­achten“, so die Forscher.

Hashimoto und seine Kollegen nutzten einerseits die Hilfe der Natur, anderer­seits die extreme Leistungs­fähig­keit von ALMA für ihre Beob­ach­tungen. Denn die Galaxie MACS1149-JD1 befindet sich von der Erde aus gesehen genau hinter einem masse­reichen Galaxien­haufen. Mit seiner Schwer­kraft wirkt er als Gravi­ta­tions­linse und bündelt das Licht des fernen Stern­systems, dessen Strahlung dadurch 15-fach verstärkt wird. Und die Radio­tele­skope von ALMA machen es möglich, das Spektrum der so ver­stärkten Galaxie mit hoher Genauig­keit zu unter­suchen. Den Forschern gelang es, die Rot­ver­schie­bung von MACS1149-JD1 anhand von Emis­sions­linien des doppelt ioni­sierten Sauer­stoffs zu 9,1096 zu bestimmen. Damit stellten die Forscher einen neuen Rekord für eine aus Spektral­linien bestimmte Rot­ver­schie­bung auf.

Das Licht von MACS1149-JD1 benötigt demnach 13,24 Milliarden Jahre zur Erde. Ent­spre­chend sehen die Astro­nomen die Galaxie so, wie sie vor 13,24 Milli­arden Jahren aus­ge­sehen hat, also 550 Millionen Jahre nach dem Urknall. Die extrem genaue Bestim­mung der Rot­ver­schie­bung ermög­lichte es Hashi­moto und seinen Kollegen weiter­hin, aus der spek­tralen Energie­ver­tei­lung der Strahlung Infor­ma­tionen über die Sterne in der Galaxie zu erhalten. „Die rote Farbe der Galaxie stammt haupt­säch­lich von Sternen, die bereits 250 Millionen Jahre nach dem Urknall ent­standen sein müssen“, so die Forscher. Auch das ist ein neuer Rekord. Nun hoffen Hashi­moto und seine Kollegen, das Ver­fahren auch bei anderen Galaxien anzu­wenden – und so zu zeigen, dass MACS1149-JD1 keine Aus­nahme­erschei­nung ist. Dann nämlich wäre die Phase der ersten Stern­ent­ste­hung im Kosmos in Reich­weite künf­tiger Groß­tele­skope wie dem James Webb Space Tele­scope, einem Gemein­schafts­projekt von NASA, ESA und der kana­dischen Raum­fahrt­behörde CSA, oder dem Extre­mely Large Tele­scope der Europä­ischen Süd­stern­warte ESO.

Rainer Kayser

RK