29.03.2019

Wie UV-Licht aus Galaxien flüchtet

Hinweise auf eine sehr schnelle doppelkonische Gasausströmung.

Astronomen des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) haben zum ersten Mal den komplexen Mechanismus, wie ultraviolettes Licht aus Galaxien entkommt, mit Hilfe des in Potsdam entwickelten Instruments Potsdam Multi-Aperture Spektro­photometer (PMAS) untersucht. Eine detaillierte physikalische Analyse der einmaligen Beobachtungen am Calar Alto Observatorium in Spanien belegt, dass aus einer untersuchten Galaxie Gas mit Überschall­geschwindigkeit ausströmt. Ein ähnlicher Prozess fand wahrscheinlich im frühen Universum statt.

Abb.: „Green pea“-Galaxie NGC 2366, aufgelöst in tausende blaue, junge...
Abb.: „Green pea“-Galaxie NGC 2366, aufgelöst in tausende blaue, junge Sterne. Nebel erscheinen als rote und rosa Bereiche. Mrk 71 ist der hellste Nebel. (Bild: J. van Eymeren & A. R. López-Sánchez, ATNF)

Das frühe Universum war ein dunkler Ort. Wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall bildeten sich die ersten Sterne. Deren ultraviolette Strahlung ionisierte die Wasserstoff­atome, die das Weltall bevölkerten und bis dato die Strahlung absorbierten. Dieser Vorgang wird als Reionisierungs­epoche bezeichnet, die dazu führte, dass das Universum transparent für Licht und damit beobachtbar wurde. Nun haben Astronomen das PMAS Instrument dafür genutzt, eine „Green Pea“-Galaxie zu untersuchen. Diese stellen ein lokales Gegenstück zu den ersten Galaxien dar und zeigen, wie ultra­violettes Licht ausgesendet und ferne Regionen in einem ähnlichen Prozess ionisiert werden. „Wegen der enormen Entfernung können wir die Galaxien, die die ersten Sterne beherbergten, nicht beobachten, auch nicht mit den in Zukunft geplanten Teleskopen. Wir können jedoch lokale Gegenstücke dazu finden und stattdessen untersuchen. Diese haben einen lustigen Namen, Green Pea, weil sie grün leuchten“, sagt Genoveva Micheva, Astronomin am AIP.

Die der Erde nächste „Green Pea“-Galaxie ist NGC 2366, eine Zwerggalaxie mit unregelmäßigem Aussehen, die der Großen Magel­lanschen Wolke ähnelt. Mit nur elf Millionen Lichtjahren Entfernung ist NGC 2366 nah genug, um sie im Detail untersuchen zu können. In ihrem südlichen Gebiet liegt Mrk 71, ein riesiger Nebel und zwei Ansammlungen junger, heißer Sterne, die das Gas – größten­teils Wasserstoff – um sie herum erleuchten. Solche großen nebelartigen Komplexe sind ein Ort aktiver und anhaltender Entstehung von Sternen.

Mrk 71 dominiert durch seine Größe die Ionisierungs­eigenschaften der gesamten Galaxie NGC 2366. Es werden Photonen ausgestoßen, die so energiereich sind, dass sie das einzelne Elektron jedes Wasserstoff­atoms in ihrer Nähe herauslösen können. Energiereiches ultraviolettes Licht, von dem Astronomen annehmen, dass es für die Reionisierungs­epoche verantwortlich war, entkommt den Grenzen dieser Galaxie. Dieses Licht reagiert extrem empfindlich auf Gas und Staub und wird von beiden absorbiert und zerstreut. Aus diesem Grund war bisher nicht bekannt, wie es entkommt.

Als Micheva und ihr Team diese Region mit dem PMAS Instrument am Calar Alto Observatorium untersuchten, entdeckten sie Hinweise auf eine sehr schnelle doppelkonische Gasausströmung, wahrscheinlich ausgelöst von Sternent­stehungs­aktivitäten. Die Ausströmung von Gas beginnt bei einem jungen Sternhaufen mit mehrerer zehnfacher Sonnenmasse, der ursprünglich vom Hubble-Weltraum­teleskop entdeckt wurde. Durch diese Ausströmung entsteht ein Loch im Gas, wodurch das energetische ultraviolette Licht ungehindert entkommen kann. „Stützende Beweise für dieses Szenario liefern uns die Erstellung und Untersuchung räumlicher Karten der Elektronen­temperatur und –dichte sowie der Schall­geschwindigkeit und der Machzahl“, sagt Micheva.

In Mrk 71 ist die durch­schnittliche Machzahl im Überschallbereich und steigt außerhalb des Kerns der Region sogar noch weiter an. Dies weist auf einen plötzlichen Abfall der Gasdichte hin. „Wir zeigen, dass dieser Dichteabfall sehr dramatisch sein kann und ausreicht, sie soweit zu reduzieren, dass das Gas transparent für ionisierende Photonen wird“, betont Micheva. Es ist wahrscheinlich, dass ein ähnlicher Prozess im entfernten, frühen Universum stattfand, bei dem gewaltige Aus­strömungen das dichte Gas ihrer Heimat­galaxien durchbrechen und so den Weg freimachen konnten, wodurch das Universum nach seinem dunklen Anfang transparent wurde.

AIP / JOL

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