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F. Bertoldi, P. Cox, R. Neri, C.L. Carilli, F. Walter, A. Omont, A. Beelen, C. Henkel, X. Fan, M.A. Strauss, K.M. Menten
High-excitation CO in a quasar host galaxy at z=6.42
F. Walter, F. Bertoldi, C. Carilli, P. Cox, K.Y. Lo, R. Neri, X. Fan, A. Omont, M.A. Strauss, K.M. Menten
Molecular gas in the host galaxy of a quasar at redshift z=6.42
F. Bertoldi, C.L. Carilli, P. Cox, X. Fan, M.A. Strauss, A. Beelen, A. Omont, R. Zylka
Dust emission in z>6 quasars

Astrophysik

Der Stoff, aus dem die Sterne sind

Astronomen entdecken große Mengen an molekularem Gas und Staub in dem am weitesten entfernten bisher bekannten Quasar

23. Juli 2003

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn haben gemeinsam mit Kollegen aus Frankreich und den USA in dem am weitesten entfernten Quasar J1148+5251 eine gigantische Ansammlung von Gas nachgewiesen. Die Strahlung von Kohlenmonoxid (CO) und Staub kommt aus einer Zeit, als das Universum nur ein Sechzehntel seines heutigen Alters erreicht hatte, also etwa 850 Millionen Jahre nach dem Urknall. Diese Beobachtungen ermöglichen es, erstmals die Bedingungen genauer zu untersuchen, unter denen sich die ersten Sterne und massereichen Schwarzen Löcher im Universum gebildet haben. Die Wissenschaftler berichten über die Entdeckung des Kohlenmonoxids am 24. Juli 2003 in "Nature" und in einem ergänzenden Artikel in der Fachzeitschrift "Astronomy and Astrophysics".

"Wir waren sehr überrascht, in diesem so frühen Objekt so kurz nach dem Urknall einen so hohen Anteil an schweren Elementen zu finden," freut sich Frank Bertoldi vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie. "Da Kohlenstoff, Sauerstoff und die Elemente, aus denen sich der kosmische Staub zusammensetzt, erst durch Kernfusionen im Inneren der Sterne entstehen, muss die Anreicherung des interstellaren Gases mit schweren Elementen ungewöhnlich schnell erfolgt sein, vermutlich durch gigantische Explosionen der ersten sehr massereichen Sterne.

Das Kohlenmonoxid-Gas (CO) wurde durch Beobachtungen am IRAM-Interferometer auf dem Plateau de Bure in Frankreich und dem Very Large Array (VLA) in New Mexico (USA) nachgewiesen. Die Strahlung des kosmischen Staubs war vorab mit dem MAMBO-Wärmedetektor am 30-Meter-Radioteleskop von IRAM auf dem Pico Veleta (bei Granada/Spanien) entdeckt worden (vgl. "Kosmische Lupe enthüllt Sternentstehung im frühen Universum", RPRI SP 4 / 2003 (36)).

Der bislang am weitesten entfernte Quasar J1148+5251 (benannt nach seinen Himmelskoordinaten) wurde Anfang 2003 in optischen Aufnahmen des "Sloan Digital Sky Survey" von Xiaohui Fan (University of Arizona) und seinen Mitarbeitern entdeckt. Dabei handelt es sich vermutlich um eine junge Galaxie, in deren Zentrum ein extrem massereiches Schwarzes Loch sitzt. Das Schwarze Loch ist mehrere Milliarden mal so schwer wie unsere Sonne und strahlt hell im sichtbaren Licht, da große Mengen heißen Gases auf es "herabfallen". Der Quasar J1148+5251 ist eine der ersten massiven Strukturen im noch jungen Universum und ermöglicht den Wissenschaftlern einen Blick auf die physikalischen und chemischen Bedingungen in der Frühzeit unseres Universums.

Das Echtfarbenbild von J1148+5251 basiert auf optischen und infraroten Aufnahmen mit dem Keck 10-Meter-Teleskop. Eingeblendet ist das CO-Spektrum des Quasars, beobachtet mit dem IRAM Interferometer. Wegen seiner großen Entfernung ist das Quasarlicht stark zu röteren Farben verschoben (um einen Faktor 7,42), sodass es im Vergleich zu den umliegenden (fast alle viel näheren) Vordergrundgalaxien als ungewöhnlich roter Punkt erscheint.
Die Kantenlänge des Bildes entspricht 1/30 Grad, das ist ein fünfzehntel des Monddurchmessers.
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Das Echtfarbenbild von J1148+5251 basiert auf optischen und infraroten Aufnahmen mit dem Keck 10-Meter-Teleskop. Eingeblendet ist das CO-Spektrum des Quasars, beobachtet mit dem IRAM Interferometer. Wegen seiner großen Entfernung ist das Quasarlicht stark zu röteren Farben verschoben (um einen Faktor 7,42), sodass es im Vergleich zu den umliegenden (fast alle viel näheren) Vordergrundgalaxien als ungewöhnlich roter Punkt erscheint. Die Kantenlänge des Bildes entspricht 1/30 Grad, das ist ein fünfzehntel des Monddurchmessers. [weniger]

J1148+5251 ist einer von nur fünf Quasaren, die im "Dunklen Zeitalter" (vgl. Abb. 3) des sehr frühen Universums gefunden wurden. Der Nachweis von Staub und molekularem Gas machen J1148+5251 zum ersten Objekt, in dem die Entstehung von Sternen und Schwarzen Löchern in einer Schlüsselepoche des Universums untersucht werden kann. In dieser Zeit wandelte sich das Universum aus einer nebulösen Dunkelheit in einen Raum voller leuchtender Galaxien, Sterne und Schwarzer Löcher. Da J1148+5152 eine intensive Quelle ultravioletter Strahlung ist, trägt der Quasar merklich zur Re-Ionisation des Gases zwischen den Galaxien bei. Diese Lichtung des "kosmischen Nebels" können Astronomen jetzt erstmals direkt beobachten.

Die Entdeckung von J1148+5251 gelang seinerzeit auf Grund der optischen Helligkeit des heißen Gases, dass auf das Schwarze Loch fällt. Der Nachweis von molekularem Gas und Staub ermöglicht den Astronomen jetzt einen indirekten Blick auf die weitere Umgebung des Schwarzen Lochs, also auf die umliegende Galaxie, die jedoch selber zu schwach ist, um in optischen Aufnahmen sichtbar zu werden. Die Kohlenmonoxid-Strahlung ermöglicht eine Abschätzung von Dichte, Temperatur und Größe der Sternentstehungsregion um das Schwarze Loch. Dort entsteht durchschnittlich alle fünf Stunden ein neuer Stern, womit die Sternentstehungsrate sehr viel höher ist als in jeder bisher bekannten Galaxie im jetzigen Universum.

Obwohl CO und Staub nur ungefähr ein Prozent der Masse des überwiegend aus Wasserstoff bestehenden Gases ausmachen, weist der relativ hohe Anteil dieser Komponenten in J1148+5251 darauf hin, dass dort schwere Elemente sehr schnell und effizient entstanden sein müssen. Kohlenstoff und Sauerstoff, die beiden Bestandteile von Kohlenmonoxid, entstehen durch Kernfusionen im Inneren der Sterne. "Vor nur zehn Jahren hätte niemand geglaubt, dass sich große Massen von Staub und schweren Elementen so schnell nach dem Urknall bilden könnten," erinnert sich Dr. Bertoldi. Weil diese Elemente noch nicht in der ursprünglichen kosmischen Materie enthalten waren, müssen diese durch die allerersten Sterne, die sich im Universum gebildet haben, erst "erbrütet" und dann mit hoher Effizienz in das interstellare Gas "entsorgt" worden sein. Die Verbreitung könnten die Winde der massereichen Sterne übernommen haben, aber auch gewaltige Supernova-Explosionen, die das Leben solcher Sterne beenden. Doch dass diese Anreicherung mit schwereren Elementen auf ein Niveau vergleichbar dem in heutigen Galaxien so stark und so schnell geschah, erstaunt die Astronomen sehr.

Das Radio-Interferometer von IRAM (Institut für Radioastronomie bei Millimeter-Wellenlängen) auf dem Pic de Bure in den französischen Alpen. Jede der sechs Antennen hat einen Durchmesser von 15 Metern. Das IRAM Interferometer ist das empfindlichste Instrument zum Nachweis von Radiostrahlen mit Millimeter-Wellenlängen. Bild vergrößern
Das Radio-Interferometer von IRAM (Institut für Radioastronomie bei Millimeter-Wellenlängen) auf dem Pic de Bure in den französischen Alpen. Jede der sechs Antennen hat einen Durchmesser von 15 Metern. Das IRAM Interferometer ist das empfindlichste Instrument zum Nachweis von Radiostrahlen mit Millimeter-Wellenlängen. [weniger]

Die Linienbreite (Abb. 1) und die relativen Intensitäten der drei gemessenen Spektrallinien von Kohlenmonoxid in J1148+5251 ermöglichen es den Astronomen, eine Ausdehnung dieser Gas- und Staubansammlung von einigen tausend Lichtjahre zu bestimmen. "Das mag groß klingen," erläutert Professor Karl Menten, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, "das ist aber immer noch zu klein, um es mit unseren Teleskopen erkennen zu können. Die Linienemission gibt uns somit eine einmalige, wenn auch indirekte Methode, die Struktur, Dichte oder Temperatur in dieser sehr aktiven Sternentstehungsregion zu untersuchen."

Die Forscher haben berechnet, dass dieser Gasvorrat von ca. 20 Milliarden Sonnenmassen in J1148+5251 in weniger als 10 Millionen Jahren komplett in Sterne umgesetzt wird, wenn die Sternentstehung in dem gleichen Tempo weitergeht. Sie vermuten, dass weniger dichtes atomares Gas aus der größeren Umgebung auf die Sternentstehungsregion einfällt. Sollte jedoch dieser Nachschub versiegen, würde auch die Sternentstehung zum erliegen kommen und das Schwarze Loch würde sich mangels Nahrung verdunkeln. "Wer weiß, was als nächstes geschieht," rätselt Dr. Bertoldi, "wir sehen nur eine kurze Momentaufnahme des Quasars. Um Ursache und Entwicklung der Entstehung der Sterne und Schwarzen Löcher im frühen Universum zu verstehen, müssen wir noch mehr solche Objekte finden, um sie systematisch miteinander vergleichen zu können."

Obwohl in den nächsten Jahren weitere Entdeckungen ferner Staub und Molekülemission mit dem IRAM-Interferometer und dem VLA zu erwarten sind, warten die Astronomen schon gespannt auf das weit leistungsfähigere ALMA-Radio-Interferometer, das in internationaler Zusammenarbeit ab 2007 in der chilenischen Atacama-Wüste errichtet wird.

Während der ersten drei Minuten nach dem Urknall entstanden die leichtesten Atome, Wasserstoff und Helium. Diese Atome waren anfänglich wegen der hohen Dichte und Temperatur ionisiert, ihre Elektronen bewegten sich frei. Während sich das Universum ausdehnte, kühlte das Gas ab und nach etwa 300.000 Jahren, als die Temperatur des Gases unter 5.000 Grad fiel, verbanden sich die Atomkerne wieder mit den Elektronen zu neutralen Atomen. Da noch keine Lichtquellen vorhanden waren, und weil selbst das Licht der ersten Sterne, die nach ein paar hundert Millionen Jahren entstanden, vom neutralen intergalaktischen Gas stark absorbiert wurde, wird diese Epoche des Universum das "Dunkle Zeitalter" genannt. Als sich dann mehr und mehr Sterne und leuchtende Schwarze Löcher bildeten, ionisierte deren Strahlung das umliegende Gas wieder, das dadurch nach und nach transparent wurde - der Nebel lichtete sich. Das "Zeitalter der Re-Ionisation" endete etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall; das Universum entpuppte sich dann als ein Raum voller Licht und Leben. Bild vergrößern
Während der ersten drei Minuten nach dem Urknall entstanden die leichtesten Atome, Wasserstoff und Helium. Diese Atome waren anfänglich wegen der hohen Dichte und Temperatur ionisiert, ihre Elektronen bewegten sich frei. Während sich das Universum ausdehnte, kühlte das Gas ab und nach etwa 300.000 Jahren, als die Temperatur des Gases unter 5.000 Grad fiel, verbanden sich die Atomkerne wieder mit den Elektronen zu neutralen Atomen. Da noch keine Lichtquellen vorhanden waren, und weil selbst das Licht der ersten Sterne, die nach ein paar hundert Millionen Jahren entstanden, vom neutralen intergalaktischen Gas stark absorbiert wurde, wird diese Epoche des Universum das "Dunkle Zeitalter" genannt. Als sich dann mehr und mehr Sterne und leuchtende Schwarze Löcher bildeten, ionisierte deren Strahlung das umliegende Gas wieder, das dadurch nach und nach transparent wurde - der Nebel lichtete sich. Das "Zeitalter der Re-Ionisation" endete etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall; das Universum entpuppte sich dann als ein Raum voller Licht und Leben. [weniger]

Der Fachartikel in "Nature" (unter Leitung des deutschen Astrophysikers Fabian Walter, VLA/NRAO, USA) zur CO Entdeckung in J1148+5251 erscheint am 24. Juli 2003 und nachfolgend ein ergänzender Artikel (unter Leitung von Frank Bertoldi, Max-Planck-Institut für Radioastronomie) in der Fachzeitschrift "Astronomy and Astrophysics". Weitere Mitglieder des Forscherteams sind Karl Menten und Christian Henkel (MPIfR), Chris Carilli und Fred Lo (NRAO, USA), Pierre Cox und Alexandre Beelen (IAS, Frankreich), Roberto Neri (IRAM, Frankreich) und Alain Omont (IAP, Frankreich). Xiaohui Fan von der University of Arizona und Michael Strauss der Princeton University sind die Mitarbeiter beim Sloan Digital Sky Survey, die als erste den Quasar entdeckten. Die Entdeckung der Staubstrahlung vom J1148+5251 wird in einem Artikel beschrieben, der in "Astronomy and Astrophysics" im Druck ist.

 
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