16. Februar 2008, 17:30
Mit Kollegen aus
Frankreich, den USA und Indien konnte wir erstmals das kühle molekulare Gas in
großen, ansonsten gewöhnlichen Galaxien im frühen Universum beobachten [1,2,3].
Dabei entdeckten wir weit mehr davon,
als in den Galaxien unserer heutigen kosmischen Umgebung vorhanden ist. Dieses
Gas ist der Baustoff, aus dem auch heute noch in normalen, ungestörten und
nicht aktiven Galaxien neue Sterne entstehen. Die Beobachtung wurde am
Millimeterinterferometera auf dem Plateau de Bure (Frankreich) durchgeführt, das vom Institut für
Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM) in Grenoble betrieben wird. Der
Befund zeigt, dass massereiche Galaxien große Teile ihrer stellaren Komponente
langsam und innerhalb großer Zeiträume aufgebaut haben, und nicht, wie bisher
angenommen, während explosionsartiger Ereignisse, ausgelöst durch Zusammenstöße
zweier oder mehrerer Galaxien. Damit eröffnen sich neue Wege zum Verständnis
der frühen Entwicklung von Galaxien im fernen, jungen Kosmos kurz nach dem
Urknall.
Abb. 1: Massereiche ferne Galaxien besitzen, ähnlich
unserem Milchstraßensystem, eine scheibenartige Form, aber ihr Gasgehalt, und
deshalb auch ihre Sternbildungsaktivität, ist wesentlich höher. (Künstlerische Darstellung.
MPIA/ESO/ESA/NASA/HST)
Die Leuchtkraft der Galaxien im fernen Infrarot, LFIR, ist
ein direktes Maß für die Rate der aktuell ablaufenden Umwandlung von
molekularem Gas (hauptsächlich Wasserstoff) in neue Sterne. Will man die Effizienz
der Sternbildung bestimmen, so muss man die Rate ins Verhältnis zur Gesamtmenge
des vorhandenen molekularen Gases setzen. Dessen Hauptbestandteil ist der
molekulare Wasserstoff; andere Molekülsorten, zum Beispiel Kohlenmonoxid (CO),
sind zwar viel seltener, lassen sich aber leichter nachweisen und können als
Indikatoren für die insgesamt vorhandene Menge an interstellaren Molekülen
verwendet werden. Deshalb ist zum Beispiel die Leuchtkraft der
CO-Emissionslinien, LCO, ein Maß für die zur Sternbildung insgesamt verfügbare
Menge an interstellarem Gas. Ein Maß für die Effizienz der Sternbildung in
einer Galaxie ist also durch das Verhältnis LFIR/ LCO gegeben.
In den
Galaxien unserer kosmischen Nachbarschaft beobachten wir die Sternentstehung,
wie sie in der Gegenwart abläuft. Wir beobachten hier zwei grundlegend
verschiedene Arten der Sternentstehung. In mehr oder weniger ungestörten,
»normalen« Spiralgalaxien, etwa in unserem eigenen Michstraßensystem, entstehen
neue Sterne hauptsächlich in den Spiralarmen und in der galaktischen Scheibe.
Hier stehen dafür große Mengen des hauptsächlichen Baumaterials zur Verfügung:
molekularer Wasserstoff. In unserer (für unsere kosmische Umgebung recht
typischen) Galaxie beträgt die Rate für die Umwandlung von diesem molekularen
Gas in neue Sterne einige wenige Sonnenmassen pro Jahr.
Wenn
Spiralgalaxien sich infolge einer nahen Begegnung gegenseitig durchdringen,
entstehen Sterne während begrenzter Zeiträume von bis zu etwa hundert Millionen
Jahren mit einer wesentlich höheren Rate: Bei solchen Zusammenstößen wird das
molekulare Gas stark in Richtung des Zentralbereichs der beteiligten Systeme
komprimiert und erreicht dort wesentlich höhere Dichten als in gewöhnlichen
Spiralgalaxien. Dadurch kann in diesen Zentralbereichen die Rate der
Sternentstehung kurzfristig auf mehrere hundert Sonnenmassen pro Jahr
ansteigen, sodass das Baumaterial relativ schnell aufgebraucht wird. Galaxien,
die wir in diesem Zustand beobachten, bezeichnen die Astronomen als
Ultra-Leuchtkräftige InfraRot-Galaxien (ULIRG).
Die Frage
lautet nun: Auf welchem Wege ist die Mehrheit der Sterne im jungen Universum
entstanden? Damals waren, wie Beobachtungen zeigen, Zusammenstöße zwischen
Galaxien wesentlich häufiger als heute, weil die räumliche Dichte der Galaxien
höher war (seither hat die kosmische Expansion die Galaxiendichte
kontinuierlich herabgesetzt); und die Sternentstehungsrate war auch in
gewöhnlichen Galaxien viel höher als heute. Allerdings wurde bisher allgemein
angenommen, dass die meisten Sterne im frühen Universum während der durch
Zusammenstöße ausgelösten, hochaktiven ULIRG-Phasen entstanden sind. Die
Eigenschaften des molekularen Gases konnten nur in den hellsten und seltensten
Galaxien (eben den ULIRGS) untersucht werden, und solche Beobachtungen schienen
diese Vorstellung zu untermauern.
Um auch über die Sternentstehung in »normalen«
Spiralgalaxien im frühen Universum quantitative Aussagen zu gewinnen, führten
wir im Mai 2007 am MPI für Astronomie, gemeinsam mit Kollegen aus Frankreich,
den USA und Indien, Beobachtungen von zwei massereichen, scheibenförmigen
jungen Galaxien bei hoher Rotverschiebung (z = 1,5) durch, die ihre heute bei
uns eintreffende Strahlung schon 4,3 Milliarden Jahre nach dem Urknall
emittiert hatten.
Diese beiden, mit BzK-4171 und BzK- 21000 bezeichneten
Galaxien befinden sich im so genannten Goods North Field im Sternbild des
Großen Bären. Dieses Feld, das auch das berühmte Hubble Deep Field enthält,
wurde in verschiedenen Wellenlängenbereichen besonders gründlich durchmustert.
Es liegen hochaufgelöste Bilder der Objekte vor, die eine Klassifikation
erlauben; und deren Rotverschiebungen (Entfernungen) und Infrarotleuchtkräfte sind
bekannt. Deshalb eignet sich dieses Feld hervorragend zum Studium der
Galaxienentwicklung im frühen Universum. Um die Effizienz der Sternentstehung
in den beiden Galaxien zu bestimmen, musste »nur« deren Gehalt an molekularem
Gas gemessen werden. Für unser Projekt nutzten wir das Millimeter- Interferometer
auf dem Plateau de Bure – in den französischen Alpen gelegen – mit seinen
kürzlich verbesserten, hoch empfindlichen Detektoren für Radiowellen im
Millimeterbereich. Die Anlage wird vom Institut für Radioastronomie im
Millimeterbereich (IRAM) in Grenoble betrieben. Die Auflösung dieser Beobachtungen
beträgt etwa sechs Bogensekunden und ist damit wesentlich gröber als
Beobachtungen im optischen Bereich von typisch einer Bogensekunde oder besser
(das Weltraumteleskop Hubble erreicht hier eine Auflösung von 0,05
Bogensekunden). Wir konnten aber die Radioemission des CO-Moleküls nachweisen
und kartieren (Abb. 2), und damit erstmals die Menge und den Gehalt des
interstellaren molekularen Gases in gewöhnlichen, typischen Galaxien des
fernen, jungen Universums bestimmen.
Abb. 2: Diese mit dem Weltraumteleskop Hubble gewonnenen Aufnahmen zeigen
die beiden fernen, massereichen Galaxien (jeweils in der Bildmitte), deren
Gehalt an molekularem Gas (weiße Konturen) jetzt erstmals bestimmt werden
konnte. (Bild: E.
Daddi/CEA-France/NASA/HST)
Die
Ergebnisse dieses Projekts sind in einer Arbeit dargestellt, die am 20. Januar
2008 in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters erschienen ist – sie
haben weitreichende Folgen für unser Verständnis der Prozesse, die für das
Wachstum massereicher Galaxien im fernen, frühen Universum maßgeblich sind. Es
zeigt sich, dass beide Galaxien gigantische Mengen an molekularem Gas
enthalten, während sie sich in ihrer Art Sterne zu bilden kaum von den Galaxien
in unserer kosmischen Nachbarschaft unterscheiden – ein hier erstmals
festgestellter Befund: Die gewöhnlichen fernen (und damit jungen) Galaxien
verhalten sich wie eine vergrößerte Version unserer (recht typischen) Galaxie,
in der die Rate der Umwandlung des molekularen Gases in neue Sterne einige
wenige Sonnenmassen pro Jahr beträgt. Die fernen Galaxien besitzen wesentlich
größeres Reservoir an molekularem Gas und ihre Sternbildungsaktivität ist
höher, verläuft aber insgesamt mit recht ähnlicher Effizienz (siehe Abb. 3).
Abb. 3: Ein Maß für die Effizienz der Sternbildung in Galaxien ist das Verhältnis aus der Leuchtkraft im Infraroten LFIR und der Leuchtkraft der CO-Emission LCO. Hier ist dieser Wert für normale Spiralgalaxien (blau) und Ultra-Leuchtkräftige InfraRot-Galaxien (ULIRGs, rot) in Abhängigkeit von der Rotverschiebung beziehungsweise vom Alter des Universums (oder die Zeit nach dem Urknall) aufgetragen. Die beiden großen blauen Punkte gelten für die jungen Scheibengalaxien BzK-4171 und BzK-21000.
Diese
Entdeckung hilft uns Astronomen bei unseren Bemühungen, den allmählichen Aufbau
der stellaren Komponente in den Galaxien zu verstehen. Sie spricht dafür, dass
Kollisionen zwischen Galaxien nicht der dominante Auslöser der Sternbildung im
frühen Kosmos sind. Die hier beschriebenen, neu entdeckten riesigen Reservoirs an
molekularem Gas können die Sternbildung in diesen Galaxien über hunderte bis
tausende von Millionen Jahren hinweg aufrecht erhalten, zehnmal so lange wie in
den bisher allein bekannten, extrem aktiven Objekten im jungen Universum. Das
bedeutet, dass ein großer Anteil der Sterne in massereichen Galaxien relativ
langsam entstand. Weil die großen Reservoirs an molekularem Gas aufgrund ihrer
gravitativen Instabilität zur Fragmentation neigen, erklären die neuen
Beobachtungen auch, warum ferne Galaxien ein klumpiges Aussehen haben.
Diese neuen
Beobachtungen zeigen auch, dass »normale« Galaxien im fernen Universum, die
zehn- bis hundertmal häufiger sind als die bisher untersuchten extrem akiven
Galaxien (z.B. die ULIRGS), mit den modernsten Instrumenten bezüglich ihres
Gasgehaltes gezielt untersucht werden können. Damit wird sich unser Bild vom
allmählichen Aufbau der Galaxien weiter verfeinern und bereichern lassen.
Bis zum nächsten Blog,
Euer Helmut Dannerbauer
Fußnote:
a: Mehr über Interferometrie ist im Artikel 'Zwei Teleskope sehen schärfer als eines' von KOSMOlogs Bloggerkollege Leonard Burtscher zu finden.
Quelle:
[1]: E. Daddi, H. Dannerbauer, et al., The
Astrophysical Journal Letters, January 20th, 673, 21, 2008, 'Vigorous
Star Formation with low Efficiency in Massive Disk Galaxies at z = 1.5';
[2]: MPIA Pressemitteilung 08-01-23, 23. Januar
2008;
[3]: In der nächsten Ausgabe von Sterne und Weltraum,
März 2008, Seite 20-22, erscheint ein Artikel in der Rubrik 'Blick in die Forschung' über diese Entdeckung.
E. Daddi, H. Dannerbauer, D. Elbaz, M. Dickinson, G. Morrison, D. Stern, S. Ravindranath (2008). Vigorous Star Formation with Low Efficiency in Massive Disk Galaxies at
= 1.5
The Astrophysical Journal, 673 (1), 21-24 DOI: 10.1086/527377
E. Daddi, H. Dannerbauer, D. Elbaz, M. Dickinson, G. Morrison, D. Stern, S. Ravindranath (2008). Vigorous Star Formation with Low Efficiency in Massive Disk Galaxies at
= 1.5
The Astrophysical Journal, 673 (1), 21-24 DOI: 10.1086/527377
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