Wie sich riesige Galaxien nur 1,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall bilden konnten
Neue Radiobeobachtungen von molekularem Gas zeigen, wie Dutzende von Galaxien im frühen Universum schnell miteinander verschmelzen
Auf den Punkt gebracht
- Ein internationales Team unter der Leitung von Forschern des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie nutzte Daten des Radioteleskop-Netzwerks Alma in der Atacamawüste, um zu beantworten, wie sich massereiche Galaxien bereits im jungen Universum bilden konnten
- In einer der spektakulärsten Ansammlungen von Galaxien im fernen Universum entdeckten sie Gas, das durch Stoßwellen erhitzt wurde
- Sie fanden Hinweise darauf, dass sich durch den raschen Kollaps dieses jungen Galaxienhaufens eine riesige elliptische Galaxie bilden könnte.
Die Lösung eines kosmischen Rätsels
Eine überraschende Beobachtung bereitet Astronominnen und Astronomen seit zwei Jahrzehnten Kopfzerbrechen: Nur wenige Milliarden Jahre nach dem Urknall existierten bereits massereiche und entwickelte Galaxien. Forschende hatten erwartet, in dieser frühen Phase der Geschichte unseres Universums nur Galaxien mit jungen Sternen und aktiver Sternentstehung zu finden. Stattdessen gibt es viele elliptische Galaxien mit bereits gealterten Sternpopulationen und sehr wenig kaltem Gas, aus dem neue Sterne entstehen könnten. Diese Beobachtungen stellen eine Herausforderung für Modelle dar, die das Entstehen von Strukturen im Kosmos beschreiben.
Entstehung riesiger Galaxien kurz nach dem Urknall
Die Gruppe unter der Leitung von Astronomen des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie hat nun große Fortschritte beim Verständnis dieser Systeme erzielt. „In einem Universum, in dem größere Galaxien mit kleineren wechselwirken und durch das Verschmelzen mit diesen hierarchisch wachsen, müssen sich einige riesige elliptische Galaxien völlig anders gebildet haben als bisher angenommen. Anstatt über 14 Milliarden Jahre hinweg langsam Masse anzusammeln, könnte eine massereiche elliptische Galaxie in nur wenigen hundert Millionen Jahren entstehen. Sie kann sich durch den Kollaps und das Verschmelzen einer großen Urstruktur bilden, in der Zeit, die die Sonne benötigt, um einmal um das Zentrum der Milchstraße zu kreisen“, erklärt Nikolaus Sulzenauer, Doktorand am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und der Universität Bonn. Er ist Erstautor der Studie. „Wir haben festgestellt, dass sich die Strukturen mit den höchsten Dichten bereits bei nur 10 Prozent des aktuellen kosmischen Alters von der Expansion des Universums entkoppelt haben müssen.“ Denn mit dem Raum, der sich ausgedehnt hat, sind auch die ersten mit Gas gefüllten Strukturen auseinandergestrebt, die den Raum damals durchdrungen hatten. „Anschließend haben sie schnell ganze Protocluster gebildet.“ Das durch den Kollaps verdichtete Gas löst ein kosmisches Feuerwerk aus, das durch Sternentstehung angetrieben wird und unglaublich hell ist. Es ist ein Leuchtfeuer im fernen Infrarot- bis Millimeterbereich und somit für Observatorien wie Alma und das Atacama Pathfinder Experiment (Apex) zugänglich.
Eine Transformation beobachten
Das Team beobachtete das kalte Gas und den Staub im Zentrum von SPT2349-56, einem Protocluster im südlichen Sternbild Phönix, das nur 1,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall zu sehen ist. SPT2349-56 ermöglicht einen seltenen Einblick in die ersten Galaxienhaufen, die Ursprungsorte massereicher elliptischer Galaxien. „SPT2349-56 hält den Rekord für die aktivste Sternfabrik“, bemerkt Axel Weiß, der auch an der ursprünglichen Entdeckung von SPT2349-56 mit Apex beteiligt war. „Im Zentrum fanden wir vier eng miteinander wechselwirkende Galaxien, die alle 40 Minuten einen Stern hervorbringen“, fügt Ryley Hill von der University of British Columbia in Kanada hinzu. Zum Vergleich: Es dauert derzeit ein ganzes Jahr, bis sich irgendwo in der Milchstraße drei oder vier Sterne bilden.
„Wichtig ist“, so Sulzenauer, „dass dieses Galaxienquartett riesige, zusammenhängende Gezeitenarme mit einer Geschwindigkeit von 300 Kilometern pro Sekunde ausstößt. Diese erstrecken sich über einen Bereich, der viel größer ist als die Milchstraße, und sie leuchten intensiv im Submillimeterbereich, das ist der Wellenlängenbereich, für den das Alma-Radioteleskopnetzwerk empfindlich ist. Stoßwellen, die ionisierte Kohlenstoffatome anregen, verstärken ihre Helligkeit dabei um das Zehnfache. Dank dieser hellen Emission konnten wir die Bewegung des Gases präzise vermessen. Die Gasklumpen in den spiralförmigen Armen ähneln den Perlen einer Kette, die den Kern des Protoclusters umgeben. Zu unserer Überraschung sind die Klumpen mit 20 weiteren Galaxien verbunden, die sich in den Außenbereichen der kollabierenden Struktur befinden. Dies deutet auf einen gemeinsamen Ursprung hin. Zum ersten Mal beobachten wir den Beginn einer kaskadenartigen Verschmelzung. Die meisten der 40 gasreichen Galaxien in diesem Kern werden zerstört werden und schließlich in weniger als 300 Millionen Jahren – einem Wimpernschlag – eine einzige, riesige elliptische Galaxie bilden.
Das Entstehen von Galaxienhaufen verstehen
Duncan MacIntyre und Joel Tsuchitori, zwei Studenten der University of British Columbia und Mitglieder des Teams, führten detaillierte Computersimulationen durch. Diese waren unerlässlich, um die Beobachtungen des Kollapses dieses Protoclusters mit früheren Studien zu entwickelten Galaxienhaufen zu verknüpfen. Es gibt eine auffällige Übereinstimmung zwischen diesen beiden Arten von Objekten, die zu unterschiedlichen kosmischen Zeitpunkten gefunden werden. Dies könnte nicht nur erklären, dass das zeitgleiche Verschmelzen großer Strukturen für das Entstehen massereicher Galaxien bedeutsam ist, sondern auch, wie Galaxienhaufen mit schweren Elementen (wie Kohlenstoff) angereichert und erhitzt wurden.
„Unsere Ergebnisse liefern zwar neue Einblicke in die schnelle Entstehung elliptischer Galaxien, doch verschiedene Wechselwirkungen bleiben weiterhin ein großes Rätsel. Dazu zählen die Wechselwirkungen zwischen den Stoßwellen und dem Erhitzen von Gas durch das Wachstum extrem massereicher schwarzer Löcher sowie deren Auswirkungen auf den Treibstoff für die Sternentstehung“, bemerkt Scott Chapman von der Dalhousie University. „Es ist vielleicht noch zu früh, um zu behaupten, dass wir die ‚frühe Kindheit‘ der riesigen elliptischen Galaxien vollständig verstehen. Wir sind jedoch schon weit gekommen, was die Verbindung zwischen den Gezeitenarmen in Protoclustern und dem Entstehungsprozess massereicher Galaxien in den heutigen Galaxienhaufen angeht.“
Zusatzinformationen
Neben den leitenden Astronomen Nikolaus Sulzenauer und Axel Weiß war auch Amélie Saintonge vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie an der Studie beteiligt.
