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Geschichte der Sternentstehung auf kosmischen Skalen: ALMA dokumentiert Sternen-Rohmaterial in fernen Galaxien

22. September 2016

Untersuchungen mit dem Teleskopverbund ALMA haben dokumentiert, welches Rohmaterial seit der Frühzeit rund 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall im Kosmos zur Verfügung stand. Die Beobachtungen unter der Leitung von Fabian Walter vom Max-Planck-Institut für Astronomie nahmen dazu das sogenannte Hubble Ultra Deep Field (HUDF) ins Visier, das erstmals 2003/2004 vom Weltraumteleskop Hubble bis ins Detail abgebildet wurde. Dies sind die ersten hochempfindlichen Beobachtungen des HUDF im Millimeterwellenbereich, die auch spektrale Informationen enthalten und die Galaxien zeigen können, deren Licht rund 11 Milliarden Jahre zu uns unterwegs war.
Hintergrundinformationen Bilder und Download-Bereich Ausführliche Beschreibung

Schon seit kurz nach dem Urknall haben Galaxien in unserem Kosmos neue Sterne gebildet. Allerdings hat sich die Gesamt-Sternentstehungsrate über die Milliarden Jahre durchaus verändert, und in einigen Epochen war unser Kosmos ungleich produktiver als in anderen.

Auf der Spur dieser Geschichte haben Fabian Walter vom Max-Planck-Institut für Astronomie und seine Kollegen sich daran gemacht, mithilfe des ALMA-Observatoriums herauszufinden, wie viel an Rohmaterial für die Sternentstehung, sprich: wie viel molekularer Wasserstoff den Galaxien zu unterschiedlichen Epochen denn überhaupt zur Verfügung stand.  Die Astronomen haben dazu eine der am besten untersuchten Himmelsregionen überhaupt beobachtet: das Hubble Ultra Deep Field (HUDF). Dort haben sie unter anderem nach dem charakteristischen Licht gesucht, das die Anwesenheit von Kohlenstoffmonoxid verrät. Wo Kohlenstoffmonoxid, da auch molekularer Wasserstoff – das lässt sich sogar quantitativ formulieren, so dass Astronomen aus der Menge an nachgewiesenem Kohlenstoffmonoxid auf die Menge an molekularem Wasserstoff schließen können.

<span>Abbildung 1: Das Hubble Ultra Deep Field (HUDF) zeigte sich dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) als Fundgrube von Galaxien, die reich an Kohlenmonoxid sind (orange) und damit Potenzial für Sternentstehung haben.</span> Bild vergrößern
Abbildung 1: Das Hubble Ultra Deep Field (HUDF) zeigte sich dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) als Fundgrube von Galaxien, die reich an Kohlenmonoxid sind (orange) und damit Potenzial für Sternentstehung haben.

Da Sterne entstehen, wenn dichte Wolken aus molekularem Wasserstoff kollabieren, hängt die Sternentstehungsrate direkt mit der Verfügbarkeit von molekularem Wasserstoff, dem Rohmaterial für die Sternentstehung, zusammen. Bislang haben Sternen-Historiker allerdings nicht das Rohmaterial, sondern andere Indikatoren ausgewertet, um Sternentstehungsraten zu bestimmen – insbesondere Licht bei charakteristischen Frequenzen, das ausgestrahlt wird, wenn Molekülwolken kollabieren, sich dabei aufheizen, und die Hitze in Form ganz bestimmter Spektrallinien abstrahlen.

Derartige Studien zeigen interessante Trends bei der Sternentstehung. In der Vergangenheit haben Galaxien insgesamt deutlich mehr Sterne produziert als heutzutage. Tatsächlich geht die Sternentstehungsrate (als Maß für diese Produktivität) seit einer Blütezeit rund drei bis 6 Milliarden Jahre nach dem Urknall stetig zurück. Während der Phase maximaler Produktivität wurde pro Jahr rund 10 Mal mehr Wasserstoff zu Sternen als zur Jetztzeit. Die Hintergründe dieser Langzeitentwicklung sind derzeit noch unklar. Aber die neuen Beobachtungen können unserem Wissen über die Geschichte der Sternentstehung ein wichtiges Puzzleteil hinzufügen: Die Menge an molekularem Wasserstoff, die zu gegebener Zeit in Galaxien für die Sternentstehung zur Verfügung steht.

"Unsere neuen ALMA-Ergebnisse legen nahe: Je weiter wir in die Vergangenheit zurückblicken, umso mehr Gas finden wir in den Galaxien, die wir sehen" sagt Manuel Aravena, Astronom an der Universidad Diego Portales in Santiago in Chile und der Ko-Leiter des Astronomenteams. "Diese Zunahme an Gasgehalt dürfte der Grund für die beachtliche Zunahme der Sternentstehungsraten sein, die während des Höhepunkts der Galaxienentstehung vor rund 10 Milliarden Jahre einsetzte."

"Die kohlenstoffmonoxid-reichen Galaxien, die wir gefunden haben, leisten einen beachtlichen Beitrag zur gesamten Sternentstehungsgeschichte unseres Kosmos", sagt Roberto Decarli, Astronom am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg und Mitglied des Forscherteams. "Mit ALMA steht uns jetzt ein neuer Weg offen, die frühe Entstehung und Entwicklung von Galaxien im Hubble Ultra Deep Field zu untersuchen."

Die Fragen danach, wie all dies im Detail funktioniert und welche Faktoren die Verfügbarkeit (oder eben nicht) molekularen Wasserstoffs beeinflussen, sind Leitfragen des großangelegten Beobachtungsprogramms (Large Observation Programs) mit ALMA, das Walter und seine Kollegen gerade bewilligt bekommen haben. Bei der Bewilligung haben auch die jetzt veröffentlichten Resultate eine Rolle gespielt. Fabian Walter sagt: "Die genauen Hintergründe der Geschichte der kosmischen Sternentstehung müssen wir erst noch verstehen. Unser jetzt bewilligtes ALMA Large Program wird die fehlenden Informationen über das Rohmaterial der Sternentstehung für Galaxien im berühmten Hubble Ultra Deep Field liefern. Das sind wichtige weitere Puzzlestücke für das Rätsel der Sternentstehung in unserem Universum."

Eine ausführlichere Beschreibung der Ergebnisse findet sich hier.

Hintergrundinformationen

Die hier geschilderten Ergebnisse gehören zum ersten Teil des ASPECS-Projekts (The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field). Die Forscher präsentieren sie heute, am 22. September auf der Konferenz "Half a Decade of ALMA" in Palm Springs, Kalifornien. Die Ergebnisse sind außerdem als Serie von sieben Fachartikeln zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal akzeptiert:

Walter F., Decarli R., Aravena M., et al. 2016: "ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Survey Description", accepted for publication in ApJ 

Aravena M., Decarli R., Walter F., et al. 2016: "ALMA spectroscopic survey in the Hubble Ultra Deep Field: Continuum number counts, resolved 1.2-mm extragalactic background, and properties of the faintest dusty star forming galaxies", accepted for publication in ApJ

Decarli R., Walter F., Aravena M., et al. 2016: "ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Molecular gas reservoirs in high-redshift galaxies", accepted for publication in ApJ

Decarli R., Walter F., Aravena M., et al. 2016: "ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Molecular gas reservoirs in high-redshift galaxies", accepted for publication in ApJ

Aravena M., Decarli R., Walter F., et al. 2016: "ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Search for [CII] line and dust emission in 6<z<8 galaxies", accepted for publication in ApJ

Bouwens R., Aravena M., Decarli R., et al. 2016: "ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: The Infrared Excess of UV-selected z=2-10 galaxies as a function of UV-continuum Slope and Stellar Mass", accepted for publication in ApJ

Carilli C., Chluba J., Decarli R., et al. 2016: "ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: implications for spectral line intensity mapping at millimeter wavelengths and CMB spectral distortions", accepted for publication in ApJ
Weitere Informationen:

Weitere Abbildungen und Downloadbereich

Abbildung 2: Hubble Ultra Deep Field mit Markierungen an den Orten der zehn mit Millimeterstrahlung nachgewiesenen Galaxien. (An einem der markierten Orte, C2, stehen zwei Galaxien hintereinander.) Bild vergrößern
Abbildung 2: Hubble Ultra Deep Field mit Markierungen an den Orten der zehn mit Millimeterstrahlung nachgewiesenen Galaxien. (An einem der markierten Orte, C2, stehen zwei Galaxien hintereinander.)
Abbildung 3: Signal-zu-Rauschen-Karte der ALMA-Abbildung des betrachteten Ausschnitts aus dem Hubble Ultra Deep Field bei 1,2 Millimetern. Schwarze und weiße Konturen zeigen positive und negative Helligkeitswerte. (Negative Werte sind ein Artefakt des Messprinzips von ALMA, das Strahlungsflüsse auf großen Skalen nicht nachweisen kann.) Konturen entsprechen einer Helligkeit von 12,7 μJy pro Antennenstrahl malgenommen mit ±2, 3, 4, 5, 8, 12, 20 bzw. 40. Die Kästchen zeigen die Positionen der nachgewiesenen Quellen. C2 enthält zwei der Galaxien, die im Text erwähnt werden. Bild vergrößern
Abbildung 3: Signal-zu-Rauschen-Karte der ALMA-Abbildung des betrachteten Ausschnitts aus dem Hubble Ultra Deep Field bei 1,2 Millimetern. Schwarze und weiße Konturen zeigen positive und negative Helligkeitswerte. (Negative Werte sind ein Artefakt des Messprinzips von ALMA, das Strahlungsflüsse auf großen Skalen nicht nachweisen kann.) Konturen entsprechen einer Helligkeit von 12,7 μJy pro Antennenstrahl malgenommen mit ±2, 3, 4, 5, 8, 12, 20 bzw. 40. Die Kästchen zeigen die Positionen der nachgewiesenen Quellen. C2 enthält zwei der Galaxien, die im Text erwähnt werden. [weniger]
Abbildung 4: Massendichte für molekularen Wasserstoff, aufgetragen gegen die kosmische Zeit (konkret: mitbewegte Massendichte aufgetragen gegen die Rotverschiebung z). Die orangen Rechtecke zeigen diejenigen Wertebereiche an, die aus den hier beschriebenen ALMA-Messungen folgen. Ebenfalls eingetragen sind Vorhersagen aufgrund von Modellen (Linien) und aufgrund einer Extrapolation verfügbarer Daten (graue Fläche). Bild vergrößern
Abbildung 4: Massendichte für molekularen Wasserstoff, aufgetragen gegen die kosmische Zeit (konkret: mitbewegte Massendichte aufgetragen gegen die Rotverschiebung z). Die orangen Rechtecke zeigen diejenigen Wertebereiche an, die aus den hier beschriebenen ALMA-Messungen folgen. Ebenfalls eingetragen sind Vorhersagen aufgrund von Modellen (Linien) und aufgrund einer Extrapolation verfügbarer Daten (graue Fläche).

Abbildung 1

Abbildung 2

Abbildung 3

Abbildung 4: Massendichte für molekularen Wasserstoff, aufgetragen gegen die kosmische Zeit (konkret: mitbewegte Massendichte aufgetragen gegen die Rotverschiebung z). Die orangen Rechtecke zeigen diejenigen Wertebereiche an, die aus den hier beschriebenen ALMA-Messungen folgen. Ebenfalls eingetragen sind Vorhersagen aufgrund von Modellen (Linien) und aufgrund einer Extrapolation verfügbarer Daten (graue Fläche).

Abbildung 4

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