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Ausführliche Beschreibung: Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung

Eine Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Roberto Decarli vom Max-Planck-Institut für Astronomie hat überraschend produktive Galaxien im frühen Universum entdeckt. Wir sehen diese Galaxien in dem Zustand, in dem sie weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall waren – und sie produzieren pro Jahr mehr als hundert Sonnenmassen an neuen Sternen. Damit könnten sie der Schlüssel zu einer weiteren Sorte von ungewöhnlichen Galaxien sein, die andere Astronomen in einer etwas späteren Phase des frühen Universums gefunden hatten, nämlich rund 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall. An dieser zweite Galaxiengruppe war bislang der folgende Umstand rätselhaft: Jene Galaxien sind weniger als eine Milliarde Jahre alt, enthalten aber viele rötliche Sterne, die fast so alt sind wie die Galaxien selbst. Damit müssten diese Galaxien über ihre gesamte Existenz hinweg große Mengen an neuen Sternen gebildet haben.

Die kosmische Geschichte verstehen

Einerseits ist die Geschichte des Universums als Ganzes einfacher als die Geschichte der menschlichen Bewohner der Erde. Kosmische Geschichte folgt vergleichsweise direkt einfachen Regeln, nämlich den Gesetzen der Physik. Das erhöht andererseits natürlich auch die Ansprüche an Kosmologen: Sie sollten erklären können, welche physikalischen Prozesse aus dem langweiligen, so gut wie homogenen Anfangszustand direkt nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren die heute beobachtbare Vielfalt hervorgebracht haben.

Dabei gibt es mehrere Schlüsselklassen von Objekten, deren Eigenschaften und Evolution erklärt werden müssen. Zum einen ist da die Dunkle Materie, welche weder mit Licht noch mit anderen Arten elektromagnetischer Strahlung wechselwirkt. Über die letzten 13,8 Milliarden Jahre hinweg hat sich die Dunkle Materie unter ihrer eigenen Schwerkraft mehr und mehr zusammengeballt und die gigantischen Filamente des kosmischen Netzwerks gebildet, in dessen Rahmen sich die Geschichte unseres Universums abspielt. Auf kleineren Größenskalen hat Dunkle Materie lose, näherungsweises kugelförmige Gebilde namens Halos gebildet. Aus Gas, das sich in diesen Halos gesammelt hat, sind die Galaxien entstanden: Ansammlungen von hunderttausenden bis hunderten Milliarden von Sternen, durchsetzt mit interstellarem Gas (vorwiegend Wasserstoff).

Nach bestem heutigen astronomischen Wissen sitzt im Zentralbereich jeder massereichen Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse zwischen einigen hunderttausend und einigen Milliarden Mal der Sonnenmasse. (Das Schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie besitzt eine Masse von 4 Millionen Sonnenmassen.) Fällt hinreichend viel Materie in ein solches supermassereiches Schwarzes Loch, wird es zum Quasar: kurz vor dem Einfallen in das Schwarze Loch sammelt sich die Materie in einer wirbelnden Akkretionsscheibe, die sich durch die einfallende Materie mehr und mehr aufheizt. Mit ihren extremen Temperaturen beginnt die Scheibe dann hell zu leuchten (man denke an eine Glühlampe). Diese und einige weitere Effekte machen Quasaren zu einigen der hellsten Objekte im Universum, so hell wie alle Sterne einer großen Galaxie zusammen.

Zusätzlich zu Sternen und zu seltenen und vorübergehenden Phänomenen wie Quasaren ist da noch das intergalaktische Gas – einmal mehr vor allem Wasserstoff, sowohl in den Galaxien selbst als auch in den Zwischenräumen zwischen den Galaxien und zwischen den Filamenten des kosmischen Netzwerks.

Kosmische Geschichte zum Zuschauen

Die kosmische Geschichte beschreibt, wie all diese Objekte entstehen, sich entwickeln und miteinander wechselwirken: Wie und wann bildeten die Galaxien ihre Sterne? Wird intergalaktisches Gas in die Galaxien gelenkt, um als Rohmaterial der Sternentstehung zu dienen? Behindern oder fördern Quasare die Entstehung neuer Sterne? Ändern sich Ablauf und Ausmaß der Sternentstehung im Laufe der kosmischen Geschichte ¬– sind Galaxien in unterschiedlichen Phasen unterschiedlich produktiv? Auf eine Reihe dieser Fragen kann die kosmische Geschichtsschreibung zumindest vorläufige Antworten bieten. Offene Fragen werden mithilfe von Modellen, Simulationen und Beobachtungen untersucht – inklusive umfangreicher Durchmusterungen, die anhand von Stichproben von hunderttausenden von Objekten statistische Schlussfolgerungen erlauben.

Astronomische Entfernungen sind dabei so groß, dass das Licht entfernter Objekte eine beträchtliche Zeit benötigt, um uns hier auf der Erde zu erreichen. Damit sehen Astronomen bei ihren Beobachtungen einen Querschnitt der kosmischen Geschichte. Die Andromedagalaxie beispielsweise sehen wir heute so, wie sie vor rund 2,5 Millionen Jahren war, weil Licht dieser Galaxie rund 2,5 Millionen Jahre benötigt, um uns zu erreichen. Andere Galaxien sehen wir so, wie sie vor Milliarden Jahren waren.

Selbst wenn wir auf diese Weise nicht die gesamte Geschichte eines einzelnen Objekts verfolgen können, zeigen uns die astronomischen Beobachtungen doch die verschiedenen Stadien der kosmischen Entwicklung. Unter der Annahme, dass alle Regionen im Universum im Mittel dieselben Eigenschaften aufweisen und sich nicht grundsätzlich unterscheiden – dass wir z.B. in jeder dieser Regionen im Mittel dieselbe Anzahl von Galaxien und Quasaren finden, mit im Mittel gleichen Eigenschaften – können wir die Vergangenheit ferner Objekte beobachten und daraus auf unsere eigene Vergangenheit schließen.

Eine ungewöhnliche Population massereicher Galaxien

Kosmologen nehmen sich daher Beobachtungen aus vielen unterschiedlichen Epochen der kosmischen Geschichte vor und verbinden sie zu einer schlüssigen physikalischen Entwicklungsgeschichte: Objekte, die wir in einer bestimmten Epoche beobachten, müssen in den vorausgehenden Epochen entstanden sein.

Ein Beispiel ist die Entdeckung einer großen Population sehr massereicher Galaxien, jede davon mit hunderten von Milliarden von Sternen und einer Gesamtmasse von hunderten von Milliarden von Sonnenmassen, in einer Epoche rund 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall (z ∼ 4), die Caroline Straatman (damals Universität Leiden, jetzt MPIA) und Kollegen im Jahre 2014 gelang. Die Existenz einer solchen Population erfordert eine Erklärung. Damit es 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall, als das Universum nur rund 10% so alt war wie heute, bereits derart sternenreiche Galaxien gab, müssen die Vorläufer dieser Galaxien in vorausgehenden Epochen rasch große Mengen an Sternen gebildet haben. Damit ergibt sich direkt die Frage: Gibt es Hinweise auf derartige superproduktive Galaxien im frühen Universum?

Ein Zufallsfund

Die neuen Ergebnisse von Roberto Decarli und seinen Kollegen, die wir hier beschreiben, haben auf diese Frage neues Licht geworfen – wenn auch ungeplant, denn die Astronomen hatten eigentlich etwas ganz anderes beobachten wollen. Mithilfe des ALMA-Observatoriums waren sie auf der Suche nach Wirtsgalaxien von Quasaren, in denen neue Sterne entstehen. Da Quasare in den Kernregionen von Galaxien entstehen, sind sie jeweils in eine solche Wirtsgalaxie eingebettet. Damit ergeben sich automatisch Fragen nach der Wechselwirkung der Quasare mit ihren Wirtsgalaxien. Behindern die Quasare beispielsweise die Sternentstehung in ihrer Wirtsgalaxie?

Allgemeiner ist interessant, welche Eigenschaften die Wirtsgalaxien haben – und die Frage, welche dieser Eigenschaften direkt damit zusammenhängen, dass die betreffende Galaxie einen Quasar beherbergt. Um solche Fragen anzugehen, untersuchten Decarli und seine Kollegen bereits bekannte Quasare, die sehr weit entfernt sind und die Epoche der ersten Milliarden Jahre kosmischer Geschichte repräsentieren. Konkret suchten die Astronomen nach einer bestimmten Sorte von Strahlung, die verrät, dass dort gerade neue Sterne entstehen.

Zeichen der Sternentstehung

Sterne entstehen, wenn Gaswolken unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. Ist diese Schwerkraft hinreichend stark, um die zentralen Regionen zu so hohen Dichten zu komprimieren und zu entsprechend hohen Temperaturen aufzuheizen, dann setzen Kernfusionsreaktionen ein, die Wasserstoffkerne (Protonen) zu Helium verschmelzen. Das Ergebnis ist per Definition ein Stern: ein von seiner eigenen Schwerkraft zusammengehaltenes Objekt, in dessen Zentralregionen über längere Zeit hinweg Kernfusionsreaktionen stattfinden; die dabei freigesetzte Energie wird nach außen transportiert und lässt den Stern hell leuchten. Allerdings muss die kollabierende Wolke, um die zur Sternentstehung nötigen Dichten zu erreichen, während des Kollapses abkühlen.

Das ist überraschend schwierig. Wasserstoffmoleküle, so stellt sich heraus, sind höchst ineffizient, wenn es darum geht, Wärmeenergie in Form von Licht abzustrahlen. Den Löwenanteil der Kühlung liefert ein in den betreffenden Wolken eher seltenes Atom, das allerdings sehr gut dabei ist, Energie abzustrahlen: Kohlenstoff. Dabei kommen in heutigen Sternentstehungsregionen auf 100.000 Wasserstoffatome typischerweise nur drei Kohlenstoffatome. Aber das reicht aus – insbesondere in der einfach ionisierten Form, in der sich ein Elektron aus dem Atom gelöst hat, strahlt Kohlenstoff die nötige Wärmeenergie ab, und das fast ausschließlich bei einer ganz bestimmten Wellenlänge, die in der Astronomie als [CII]-Linie bezeichnet wird.

(Die eckigen Klammern zeigen an, dass dies eine sogenannte verbotene Linie ist, die nur im extrem verdünnten Gas im Weltraum zu beobachten ist. In Laborexperimenten bei höherer Gasdichte verlieren die betreffenden Atome ihre Energie bei Zusammenstößen mit anderen Atomen, bevor sie das [CII]-Licht aussenden können.)

Sternentstehungsgebiete sind die wesentliche Quelle von [CII]-Licht in Galaxien. Aufgrund dieses Zusammenhangs lässt sich aus der Menge des [CII]-Lichts, welches eine Galaxie abstrahlt, abschätzen, in welcher Menge und wie schnell in der betreffenden Galaxie neue Sterne entstehen.

ALMA und Sternentstehung in fernen Galaxien

Für Objekte in unserer kosmischen Nachbarschaft hat die [CII]-Linie eine Wellenlänge von 158 μm und liegt damit im Ferninfrarot-Bereich. Ungünstigerweise ist die Erdatmosphäre für Licht dieser Wellenlänge so gut wie undurchsichtig. Entsprechende Beobachtungen sind daher nur mit Weltraumteleskopen oder flugzeuggestützten Teleskopen möglich, in jüngerer Zeit etwa mit Herschel oder SOFIA.

Allerdings gibt es für das Licht sehr ferner Objekte einen weiteren Effekt, der bodengebundene Beobachtungen ermöglicht. Das Licht solcher Objekte ist für einen Beobachter auf der Erde in Richtung längerer Wellenlängen verschoben – als Folge der kosmischen Rotverschiebung, einer Konsequenz des Umstandes, dass das Universum expandiert.

Für die Galaxien und Quasare, die Decarli und Kollegen anpeilten, sind die Lichtwellenlängen sieben Mal so groß wie in unserer kosmischen Nachbarschaft (entsprechend einem sogenannten z-Wert z ~ 6). Damit rückt die [CII]-Strahlung in den Bereich der Millimeterwellen und wird bodengestützten Beobachtungen wie mit ALMA zugänglich – was Beobachtungen mit großer Empfindlichkeit und hoher Auflösung erlaubt.

ALMA ist ein Teleskopverbund, bestehend aus rund 50 hochpräzisen Radioschüsseln, der von einem internationalen Konsortium in der Atacamawüste in Chile betrieben wird und deutlich empfindlichere Messungen ermöglicht als seine Vorgänger. Bis zu der hier beschriebenen Studie waren [CII]-Messungen an den Wirtsgalaxien von Quasaren mit hoher Rotverschiebung ('high-z') nur mit sehr kleinen Stichproben durchgeführt worden (höchstens vier Quasare pro Studie). Mit ALMA wurden größere Stichproben möglich. Decarli und seine Kollegen bekamen gute [CII]-Daten für insgesamt 25 Galaxien.

Nicht die gesuchten Galaxien

Vier der Beobachtungsziele bescherten den Astronomen eine Überraschung. Ja, dort waren die Quasare – aber es gab in den Bildern noch weitere, direkt benachbarte Galaxien. Nicht die Wirtsgalaxien der Quasare, sondern neben dem Zielquasar liegend. Die betreffenden Galaxien strahlten große Mengen an [CII]-Strahlung ab, entsprechend Sternentstehungsraten von mehr als hundert Sonnenmassen pro Jahr. Das ist im Vergleich mit anderen Galaxien eine ganze Menge. In unserer Heimatgalaxie beispielsweise, der Milchstraße, entsteht nur rund eine Sonnenmasse an neuen Sternen pro Jahr. Die anderen Galaxien, die Astronomen in der entsprechenden frühen Epoche der kosmischen Geschichte untersucht hatten, kamen lediglich auf Sternentstehungsraten zwischen einer und zehn Sonnenmassen pro Jahr.

Die Objekte, die Decarli und seine Kollegen beobachteten, sind so weit entfernt, dass wir sie so sehen, wie sie etwas mehr als 900 Millionen Jahre nach dem Urknall waren (z ∼ 6). Mit den beobachteten hohen Sternentstehungsraten könnten sie damit in der Tat die Vorläufer der sternreichen Galaxien sein, die Straatman und ihre Kollegen in der Epoche 1,5 Milliarden Jahre (z ∼ 4) nach dem Urknall beobachtet hatten.

Damit hatte die Gruppe um Decarli ein mögliches fehlendes Puzzlestück der kosmischen Geschichte gefunden: Eine Population von jungen, superproduktiv sternbildenden Galaxien 900 Millionen Jahre nach dem Urknall. Kommt diese Art von Galaxie hinreichend häufig vor, dann könnte sie die unerwartet sternreichen Galaxien erklären, die sich rund 600 Millionen Jahre später im Universum finden.

Quasare, Überdichten und Sternentstehung

Aller Wahrscheinlichkeit nach ist es kein Zufall, dass diese Galaxien den Quasaren so direkt benachbart sind. Die Details bedürfen genauerer Klärung und weiterer Beobachtungen, aber ein allgemeiner Zusammenhang liegt nahe: Um zu erklären, wie die Schwarzen Löcher im Inneren der Quasare so vergleichsweise kurz nach dem Urknall bereits auf rund eine Milliarde Sonnenmassen anwachsen konnten, sollten die Quasare in den Regionen mit der größten Materiedichte zu finden sein. Dieselbe Überdichte sollte auch den jetzt entdeckten, rasch neue Sterne bildenden Galaxien gute Ausgangsbedingungen für ihre besonders hohe Sternproduktion bieten. Dementsprechend wäre es einigermaßen wahrscheinlich, solche Galaxien und Quasare in ein und derselben überdichten Region anzutreffen.

Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass die Aktivität des Quasars die benachbarte Galaxie direkt angeregt hat, mehr Sterne zu bilden – etwa durch die Ausübung von Druck auf das Gas der Galaxie von außen, so dass eine größere Anzahl von Wolken kollabiert als es andernfalls der Fall gewesen wäre.

Repräsentieren die neu entdeckten Galaxien eine ganze Klasse von häufigen, jungen, rasch sternbildenden Galaxien im frühen Universum, die auch dort auftreten, wo es keine (seltenen!) Quasare gibt, dann könnten sie in der Tat die Existenz der von Straatman und Kollegen entdeckten massereichen Galaxiensorte erklären.

Die erste bekannte Galaxienverschmelzung?

Eines der vier Objekte, der Quasar mit der Katalognummer PJ308-21, ist besonders interessant. Seine sternbildende benachbarte Galaxie ist dem Quasar vergleichsweise nahe und scheint in Richtung auf den Quasar hin länglich verformt zu sein. Diese Art von Verformung ist zu erwarten, wenn die Galaxie mit der Wirtsgalaxie des Quasars wechselwirkt.

Solche Wechselwirkung, bei der die Gezeitenkräfte jeder der Galaxien die jeweils andere Galaxie verzerren, ist typischerweise eine Vorstufe zur Verschmelzung der betreffenden Galaxien. Dabei entsteht am Ende eine einzige, größere Galaxie. In den heutigen Modellen der Galaxienentwicklung ist dies ein wichtiger Mechanismus, durch den Galaxien im Laufe der Zeit immer größer werden. Zeigen die Beobachtungen hier in der Tat eine Verschmelzung, dann handelt es sich um das früheste bekannte Beispiel für einen solchen Vorgang.

Insgesamt ist die neu entdeckte Galaxienpopulation ein interessantes Puzzleteil für die kosmische Entwicklungsgeschichte, denn sie könnte erklären, wie sich die etwas späteren sternreichen Galaxien gebildet haben. Die Entdeckung zeigt den Astronomen außerdem interessante neue Fragen zur Geschichte des frühen Universums auf, konkret zur Rolle von Überdichten und möglichen Wechselwirkungen bei der Entstehung von Quasaren und den Galaxien der neuen Population.

Weitere Schritte

Als nächstes müssen Decarli und seine Kollegen die neu entdeckten Quellen erst einmal genauer charakterisieren. Da die betreffenden Galaxien keinerlei Anzeichen für ein anwachsendes (akkretierendes) Schwarzes Loch zeigen, welches die Sterne der Galaxie überstrahlen und andererseits auch die Sternentstehung beeinflussen würde, sind die neu entdeckten Galaxien ein ideales Laboratorium, um die ersten Phasen der Entstehung von massereichen Galaxien zu untersuchen: Welche Arten von Sternen entstehen dort, mit welchen Eigenschaften? Was ist die Gesamtmasse dieser Galaxien, und wie viele Sterne sind dort bereits entstanden? Welche Eigenschaften hat das Gas zwischen den Sternen dieser Galaxien, das interstellare Medium: wie dicht ist es, wie heiß, und welcher Anteil davon ist ionisiert? Und findet man diese Galaxien tatsächlich nur in Nachbarschaft der Quasare oder auch in anderen Umgebungen?

Um Antworten auf diese Fragen zu finden, dürfte eine ganze Armada von Teleskopen benötigt werden: ALMA ebenso wie die Weltraumteleskope Hubble und Spitzer, bodengebundene Teleskope ebenso wie das zukünftige James Webb Space Telescope. Mit den Daten dieser unterschiedlichen Teleskope sollten die Astronomen dann gute Voraussetzungen haben, um eine grundlegende Frage der kosmischen Geschichte angehen zu können: die Entstehung der frühesten massereichen Galaxien.

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