11.02.2010 —

Sterne entstehen aus gigantischen Gaswolken innerhalb von Galaxien. Die Geburtenrate hat sich aber im Lauf der Zeit verändert. So kamen im jungen Universum deutlich mehr Sterne zur Welt. Jetzt haben Forscher aus dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik zusammen mit Kollegen eine einleuchtende Erklärung dafür gefunden: Normale Galaxien enthielten wenige Milliarden Jahre nach dem Urknall fünf- bis zehnmal mehr Gas als heutige Galaxien – und stellten damit eine größere Menge an Rohstoffen für die Sternentstehung bereit (Nature, 11. Februar 2010).

„Zum ersten Mal war es uns möglich, das kalte molekulare Gas in normalen Galaxien nachzuweisen und abzubilden, wie sie kurz nach dem Urknall für massereiche Galaxienpopulationen typisch waren“, sagt Linda Tacconi vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Erstautorin des Artikels in der Zeitschrift Nature.

Die Beobachtungen erlauben einen ersten direkten Blick auf Galaxien – genauer gesagt auf das kalte Gas in diesen Galaxien, nur drei bis fünf Milliarden Jahre nach dem Urknall. Damals haben diese Milchstraßensysteme anscheinend mehr oder weniger kontinuierlich Sterne gebildet, allerdings mit einer mindestens zehnmal höheren Rate als in ähnlich massereichen Galaxien im heutigen Universum.

Zwei Ansichten einer typischen Galaxie, 5,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Links eine Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops im optischen Licht, rechts die Komposition einer Abbildung mit dem IRAM-Interferometer im Licht einer Kohlenstoffmonoxid-Linie (rot/gelb) und dem optischen Bild im sogenannten I-Band (grau). Diese Beobachtungen zeigen zum ersten Mal deutlich, dass die molekulare Emissionslinie und die optische Strahlung der Sterne eine massereiche, rotierende Scheibe von etwa 60.000 Lichtjahren Durchmesser nachzeichnen. Die Masse des kalten Gases in dieser Scheibe ist etwa zehnmal größer als in heutigen Galaxien.

Die grundlegende Frage lautet nun, ob diese höhere Sternentstehungsrate durch eine größere Menge an kaltem, molekularem Gas – dem Rohstoff für junge Sterne – hervorgerufen wurde. Oder ob die Sternengeburt im jungen Universum einfach viel effizienter verlief.

Seit etwa zehn Jahren entwerfen Astrophysiker ein allgemeines Bild davon, wie sich Galaxien bilden und entwickeln, seit das Universum wenige Milliarden Jahre alt war. Danach sammelte sich unter dem Einfluss der mysteriösen Dunklen Materie abkühlendes Gas, ähnlich wie Regenwasser in Pfützen. Mit der Zeit strömte Gas von diesen „Materiepfützen“ zu Protogalaxien; Kollisionen und Verschmelzungen dieser Systeme führten dann nach und nach zum hierarchischen Anwachsen der Galaxienmasse.

Detaillierte Beobachtungen des kalten Gases, seiner Verteilung und Dynamik, sind deshalb von äußerster Wichtigkeit. Denn nur so lassen sich die komplexen Mechanismen verstehen, die dafür sorgten, dass sich diese ersten Protogalaxien zu modernen Galaxien wie unserer Milchstraße entwickelten.

Eine groß angelegte Studie von entfernten, leuchtkräftigen und massereichen Galaxien mit dem IRAM-Interferometer auf dem Plateau du Bure brachte jetzt Licht ins Dunkel: Zum ersten Mal gelang es, den Rohstoff für die Sternentstehung direkt zu beobachten.

Weil die Empfindlichkeit der Messgeräte vor kurzem deutlich verbessert wurde, konnten die Astronomen die Eigenschaften von kaltem Gas anhand einer Spektrallinie des Kohlenstoffmonoxid-Moleküls in normalen, nicht übermäßig leuchtkräftigen Galaxien systematisch vermessen – und zwar zu einer Zeit, das das Weltall nur etwa 40 beziehungsweise 24 Prozent seines jetzigen Alters besaß. Frühere Beobachtungen beschränkten sich meist auf seltene, sehr leuchtstarke Objekte wie etwa verschmelzende Galaxien oder Quasare, also die Kerne von jungen, aktiven Galaxien.

„Wir haben herausgefunden, dass massereiche normale Galaxien bei einer Rotverschiebung von 1,2 und 2,3 etwa fünf- bis zehnmal mehr Gas enthalten, als wir im nahen Universum sehen“, sagt Linda Tacconi. Diese Galaxien zeigen über lange Zeit eine hohe Sternentstehungsrate. Das heißt: Aus dem Halo aus Dunkler Materie muss kontinuierlich Gas nachströmen – genau so, wie es kürzlich aufgestellte Theorien vorhersagen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Beobachtungen sind die ersten räumlich aufgelösten Bilder der Verteilung und Bewegung des kalten Gases in mehreren Galaxien.

„Die Messungen geben uns entscheidende Hinweise und Randbedingungen für die nächste Generation von theoretischen Modellen, mit denen wir die frühen Phasen der Galaxienentwicklung genauer untersuchen wollen“, sagt Andreas Burkert, Experte für Sternentstehung und Galaxienentwicklung am Garchinger Exzellenzcluster Universe. „Letztlich werden uns diese Arbeiten auch dabei helfen, den Ursprung und die Entwicklung unserer Milchstraße zu verstehen.“
 

Link:

IRAM und das Interferometer auf dem Plateau de Bure
(http://www.iram-institute.org)


Originalveröffentlichung:

L.J. Tacconi et al.
High molecular gas fractions in normal massive star forming galaxies in the young Universe
Nature, 11. Februar 2010