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Ausführliche Informationen zur Meldung: "Geschichte der Sternentstehung auf kosmischen Skalen: ALMA dokumentiert Sternen-Rohmaterial für in fernen Galaxien" 

Mit zunehmender Entfernung sieht ein astronomisches Objekt zunehmend leuchtschwächer aus. Paradebeispiel ist unsere Sonne: ein eher durchschnittlicher Stern, der nur deswegen so ungleich heller aussieht als die Sterne am Nachthimmel, weil er uns so nahe ist. Der sonnennächste Stern ist mehr als 60 000 Mal soweit von uns entfernt wie die Sonne. Das definiert einen wichtigen Entwicklungsstrang astronomischen Fortschritts: immer größere Teleskope sammeln immer mehr Licht, und mithilfe langer Belichtungszeiten können Astronomen auf diese Weise Bilder von immer leuchtschwächeren Objekten erstellen. Jede astronomische Beobachtung führt in die Vergangenheit – wir sehen ja beispielsweise die Andromedagalaxie nicht so, wie sie jetzt ist, sondern so, wie sie vor rund 2,5 Millionen Jahren war, denn so lange braucht das Licht der Galaxie, um uns zu erreichen. Auf der Suche nach immer leuchtschwächeren Objekten dringen die Astronomen entsprechend immer weiter in die Vergangenheit vor.

Hubble Deep Field und Ultra Deep Field

Ein Meilenstein dieser Art von Fortschritt war das Hubble Deep Field: insgesamt 140 Stunden an Belichtungszeit mit dem Weltraumteleskop Hubble, als Ziel eine kleine Region am Nordhimmel, nur rund ein Prozent der scheinbaren Fläche des Vollmonds am Himmel. Die Region war so gewählt, dass sie kaum Sterne enthielt und der Blick auf ferne Galaxien auch nicht durch Staub innerhalb unserer Milchstraße behindert wurde. Rund 3000 Galaxien finden sich in diesem eigenen Bild, und die fast 1000 wissenschaftlichen Fachartikel, die auf das Hubble Deep Field zurückgehen, zeigen eindrucksvoll, wieviele Informationen in einer solchen umfangreichen, repräsentativen Stichprobe stecken. In den Jahren 2003/2004 wurde eine noch tiefere Aufnahme angefertigt, das Hubble Ultra Deep Field (HUDF), genau so groß wie das Deep Field. Das HUDF zeigt fast 10 000 Galaxien. Die entferntesten davon sind uns so fern, dass ihr Licht für fast 13 Milliarden Jahre unterwegs war, ehe es uns erreichte. Die Lage des HUDF war bewusst so gewählt worden, dass es für die Großteleskope der Südhalbkugel sichtbar ist, insbesondere die Teleskope der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile und, in jüngerer Zeit, für das internationale Millimeter/Submillimeter-Observatorium ALMA ("Atacama Large Millimeter/submillimeter Array") in der Atacama-Wüste.

Astronomen nutzen verschiedene Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums, um ihre Beobachtungsobjekte zu verstehen. Nachdem das Weltraumteleskop Hubble für das HUDF bereits exzellente Bilder im sichtbaren Licht, im Nahinfraroten und im UV-Licht geliefert hatte, dauerte es nicht lange, bis andere Observatorien die Messungen ergänzten. Röntgenbeobachtungen beispielsweise erlauben es, die im HUDF sichtbaren aktiven Galaxien (bei denen Materie auf das zentrale Schwarze Loch fällt) zu untersuchen.

Mikrowellen dank ALMA

Eine wichtige Wellenlängenregion fehlte bislang allerdings weitgehend in der kosmischen Geschichtsschreibung des HUDF: Millimeter- und Submillimeterwellen. Erst als das ALMA-Observatorium, ein Teleskopverbund mit 66 Antennen die so zusammengeschaltet werden, dass sie das Auflösungsvermögen eines einzigen, riesigen Teleskopes erreichen, 2015 vollständig in Betrieb genommen war, rückten tiefe Aufnahmen großer Abschnitte des Hubble Ultra Deep Field in den Bereich des technisch Möglichen. Erst dann wurden die interessantesten Galaxien im HUDF auch in diesem Wellenlängenbereich beobachtbar – bis hinaus zu jenen Galaxien, die wir so sehen, wie sie bloße 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall waren, fast 11 Milliarden Jahre vor unserer Zeit (Rotverschiebung z=2). Diese Galaxien erlauben nämlich Einblicke in eine besonders interessante Epoche der kosmischen Geschichte.

Bis heute haben die Astronomen nur ein grobes Bild von der kosmischen Geschichte der Galaxien- und Sternentstehung, aber bereits dieses Bild enthält einige interessante Trends. Ein Eigenschaft, die sich dem Universum in jeder Epoche zuordnen lässt, ist die Sternentstehungsrate: Wie viele Sonnenmassen an Materie werden pro Zeiteinheit (z.B. pro Jahr) in neue Sterne umgesetzt? Sterne entstehen, wenn molekulares Gas in Galaxien unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert und sich bestimmte Teilregionen dabei so stark aufheizen, dass Kernfusionsreaktionen beginnen können.

In unserer Milchstraße entstehen derzeit pro Jahr Sterne mit der bescheidenen Gesamtmasse von rund einer Sonnenmasse. Untersuchungen der Sternentstehung in fernen Galaxien haben gezeigt, dass Galaxien im frühen Universum deutlich produktiver waren als heutzutage. Die Astronomen schließen das aus der Beobachtung bestimmter Spektrallinien, die entstehen, wenn Molekülwolken kollabieren und sich dabei erhitzen. Diesem Kriterium nach sind seit dem Urknall zunächst im Mittel immer mehr Sterne entstanden. Zwischen 3 und 6 Milliarden Jahren nach dem Urknall war ein Maximum an Produktivität erreicht, und seither ist die Sternentstehungsrate immer weiter gefallen. Das heutige Universum produziert der Masse nach nur noch rund ein Zehntel soviel Sterne wie zu Zeiten maximaler Produktivität.

Die Geschichte der Sternentstehung verstehen

Eine wichtige Aufgabe der extragalaktischen Astronomie besteht darin, diese Entwicklung zu verstehen: War das eine Angelegenheit von Angebot und Nachfrage, mit neuen Reservoirs an molekularem Gas, die mit der Zeit verfügbar wurden? Welche Rolle spielten Mechanismen, welche das Gas aufgeheizt (und damit für die Sternentstehung ungeeignet gemacht) haben, wie etwa Supernovae, große Mengen an jungen Sternen, oder aktive Galaxienkerne?

Millimeter- und Submillimeterbeobachtungen können helfen, Antworten auf diese Fragen zu finden. Wo Beobachtungen im sichtbaren Licht wie mit dem Weltraumteleskop Hubble das Vorhandensein von Atomen zeigen und die Beobachtung von deren charakteristischen Spektrallinien ermöglichen, zeigen Infrarotbeobachtungen typischerweise die Spektrallinien von Molekülen und die Wärmestrahlung von Staub. Für weit entfernte Galaxien, deren Licht durch die kosmische Expansion rotverschoben ist, sind solche Moleküllinien in den Bereich der Millimeterstrahlung verschoben.

Kohlenstoffmonoxid verrät Wasserstoffmoleküle

Besonders interessant für alle, die an der kosmischen Geschichte der Sternentstehung interessiert sind, sind Spektrallinien von Kohlenstoffmonoxid, CO. Untersuchungen in unserer Milchstraße und an einzelnen fernen Galaxien zeigen, dass das Mengenverhältnis zwischen Wasserstoffmolekülen - also dem Rohmaterial der Sternentstehung - und Kohlenstoffmonoxidmolekülen für normale Galaxien über die letzten rund 12 Milliarden Jahre weitgehend konstant war. Kohlenstoffmonoxid ist aufgrund seiner Strahlungseigenschaften deutlich einfacher nachweisbar als der so gut wie unsichtbare molekulare Wasserstoff. Daher stellen die Astronomen für ferne Galaxien Kohlenmonoxid-Beobachtungen auf und ziehen daraus dann Rückschlüsse auf den vorhandenen molekularen Wasserstoff. Mit solchen Messungen lässt sich der Geschichte der Sternentstehungsrate eine Geschichte der wechselnden Häufigkeit des Rohmaterials der Sternentstehung gegenüberstellen - eine Schlüsselinformation darüber, was in fernen Galaxien in punkto Sternentstehung vor sich geht.

Bei allen diesen Beobachtungen spielen Spektrallinien die zentrale Rolle. Solche Linien bilden in den Spektren ferner Objekte Muster dunkler Bereiche bei genau definierten Wellenlängen. Aus ihnen kann man außerdem die kosmische Rotverschiebung für die betreffenden Objekte erschließen, die in den Standardmodellen der Kosmologie direkt mit der Entfernung jener Objekte zusammenhängt. So entsteht aus derartigen Messungen eine dreidimensionale Karte des Kosmos.

Staub und Wasser

Kontinuumsstrahlung, die über breite Frequenzbereiche ausgesandt wird, enthält weitere Informationen. Dabei handelt es sich vor allem um thermische Strahlung von kosmischen Staub. Das ist aus zweierlei Gründen interessant. Erstens besteht eine direkte Beziehung zwischen der Menge an kosmischem Staub und der Menge an molekularem Wasserstoff in einer Galaxie. Diese Beziehung ist zwar nicht so zuverlässig und so gut getestet wie jene zwischen molekularem Wasserstoff und Kohlenmonoxid-Molekülen, aber sie erlaubt eine Konsistenzprüfung der CO-Ergebnisse. Außerdem gilt: die wichtigste Quelle für die Aufheizung des kosmischen Staubs in einer Galaxie ist die Sternentstehung, genauer: die Strahlung heißer, junger, massereicher Sterne. Aus der thermischen Strahlung des aufgeheizten Staubs lässt sich daher direkt auf die Sternentstehungsrate einer Galaxie schließen.

Bislang waren derartige Millimeter/Submillimeter-Beobachtungen nur für einzelne, direkt anvisierte Galaxien möglich. Aber als sich Fabian Walter vom Max-Planck-Institut für Astronomie und seine internationalen Kollegen Gedanken über die Leistungsfähigkeit von ALMA machten, kamen sie darauf, dass die Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen des Observatoriums (also die Fähigkeit, kleine Details am Himmel auseinanderzuhalten) es möglich machen sollten, eine "blinde Suche", also eine Beobachtung ohne konkret vorgegebene Beobachtungsziele, im Ultra Deep Field vorzunehmen und so die vielen anderen Beobachtungen jener Himmelsregion zu ergänzen.

40 Stunden im Hubble Ultra Deep Field

Zwischen Juli 2014 und April 2015 beobachtete ALMA mit 50 seiner Antennen für rund 40 Stunden das südliche Sternbild Fornax (chemischer Ofen), wo sich das Ultra Deep Field befindet, und fing dabei Licht von einer rund eine Bogenminute mal eine Bogenminute großen Himmelsregion auf, rund einem siebtel des HUDF. Bereits kurz nach Ende der Beobachtungen wussten Walter und seine Kollegen, dass ihre blinde Suche erfolgreich gewesen war. Eine genauere Analyse über die nachfolgenden Monate bestätigte den Nachweis von zehn Galaxien.

Die Beobachtungen zeichnen ein faszinierendes Bild vom Rohmaterial der Sternentstehung während des "Goldenen Zeitalters" maximal produktiver Sternentstehung in unserem Kosmos. "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 Galaxien, die mit den Millimeter-Beobachtungen gefunden wurden, können auch in den HUDF-Beobachtungen im sichtbaren und im Infrarotlicht identifiziert werden - obwohl niemand genau hätte voraussagen können, welche der Galaxien in dem berühmten Hubble-Bild auch im Millimeter-Bereich als helle Quellen sichtbar sein würden. Tatsächlich gilt: Obwohl die Stichprobe der neuen Messungen nicht besonders groß ist, liefert sie Hinweise darauf, dass die jetzige Helligkeit der Galaxie und die Größe ihres Vorrats an molekularem Wasserstoff (aus dem sich zukünftige Sterne bilden können) weniger direkt miteinander zusammenhängen als von einer Reihe von Forschern vermutet. Chris Carilli vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Socorro, Neu-Mexiko, einer der Forscher, sagt: "[Wir haben] eine Population von Galaxien entdeckt, die in anderen tiefen Durchmusterungen des Himmels nicht so einfach zu identifizieren ist."

Ein zukünftiges Großprogramm

Während die Ergebnisse bereits für sich genommen von Interesse sind, spielen sie gleichzeitig eine wichtige Rolle als Wegbereiter zukünftiger Messungen: "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."

Tatsächlich hat das internationale Team unter der Leitung von Walter, Aravena und Carilli unter anderem aufgrund der neuen Ergebnisse das erste großangelegte Beobachtungsprogramm (Large Observation Program) mit ALMA bewilligt bekommen: Beispiellose 150 Stunden an Beobachtungszeit, mit der im Jahre 2017 das gesamte Ultra Deep Field kartiert werden soll. Aus ihren jetzigen Ergebnissen extrapolieren die Astronomen, dass das Programm insgesamt mehr als 50 im Millimeterbereich sichtbare Galaxien zwischen der Jetztzeit (Rotverschiebung z=0) und einer Zeit liefern sollte, zu der das Universum nur einige Milliarden Jahre alt war. Damit sollten sich Fragen zur kosmischen Geschichte auch statistisch behandeln lassen. 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."

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