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Astronomie+Physik

Ein Milchstraßen-Analog im frühen Kosmos

Galaxie SPT0418-47
Das Licht der Galaxie SPT0418-47 wird durch den Gravitationslinseneffekt verzerrt und erscheint als nahezu perfekter Lichtkranz. (Bild: ALMA (ESO/NAOJ/ NRAO), Rizzo et al.)

Unsere Heimatgalaxie hat einige typische Merkmale: Sie besitzt eine zentrale Verdickung, sie rotiert und besitzt Spiralarme. Jetzt haben Astronomen erstmals eine Galaxie im frühen Kosmos entdeckt, die schon zwei dieser drei Merkmale besitzt – die Rotation und die Verdickung. Die Galaxie liegt mehr als zwölf Milliarden Lichtjahre entfernt und stammt aus einer Zeit nur 1,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Sie ist damit das am weitesten entfernte Ebenbild der Milchstraße – und sorgt für Überraschung. Denn gängigen Modellen zufolge müssten solche frühen Galaxien weit chaotischer und turbulenter sein.

Als der Kosmos noch jung war und sich erst allmählich die ersten Galaxien bildeten und heranwuchsen, liefen viele astrophysikalischen Prozesse weit dynamischer und intensiver ab als heute. So waren viele der ersten Sterne extrem massereich und explodierten daher schon nach wenigen Millionen Jahren wieder als Supernova. In den jungen Galaxien sorgte ein reicher Nachschub an interstellaren Gasen dafür, dass die Sternbildung in deutlich höherer Rate ablief als bei den meisten heutigen Sternansammlungen. Zudem kam es häufig zu Kollisionen und Verschmelzungen von Galaxien, durch die sie heranwuchsen. All dies jedoch führte immer wieder zu starken Turbulenzen in der galaktischen Umgebung, weshalb gängige Modelle von einer wenig geordneten und eher chaotischen Struktur früher Galaxien ausgehen. Erst als sich das Geschehen mit fortschreitendem Alter des Universums beruhigte, konnten die Galaxien eine geordnete Rotation, einen zentralen Bulge und Spiralalarme ausbilden – so die Theorie.

Vom Lichtkranz zum Galaxienbild

Doch nun haben Astronomen um Francesca Rizzo vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching eine frühe Galaxie entdeckt, die nicht ins Bild passt. Die Galaxie SPT0418-47 liegt rund zwölf Milliarden Lichtjahre von uns entfernt und existierte demnach rund 1,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Ihr Licht zeigt sie so, wie sie damals aussah. Wegen dieser großen Entfernung können selbst leistungsfähigste Teleskope die Merkmale solcher frühen Galaxien kaum auflösen. Doch Rizzo und ihrem Team kam ein glücklicher Zufall zu Hilfe: Eine näher liegende Galaxie schob sich zwischen die Erde und die ferne Galaxie SPT0418-47 und wirkte als Gravitationslinse: Die Schwerkraft der Vordergrund-Galaxie verzerrte und verstärkte das Licht von SPT0418-47 und diente damit quasi als kosmisches Vergrößerungsglas. Mithilfe des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) konnten die Forscher so einige Kernmerkmale der fernen Galaxie ermitteln.

Dafür mussten sie jedoch zunächst das durch die Gravitationslinse stark verzerrte Abbild von SPT0418-47 entzerren. Denn in den Rohaufnahmen erscheint die ferne Galaxie nicht als Sternenansammlung, sondern als nahezu perfekt kreisförmiger Lichtkranz um die Vordergrund-„Linse“. Die Forscher nutzten eine speziell dafür entwickelte computergestützte Modellierungstechnik, um das wahre Aussehen der fernen Galaxie zu rekonstruieren. „Als ich das rekonstruierte Bild von SPT0418-47 zum ersten Mal sah, konnte ich es nicht glauben: Eine Schatztruhe öffnete sich“, berichtet Rizzo. Denn wie die Bilder enthüllten, scheint SPT0418-47 mindestens zwei für unsere Milchstraße typische Merkmale aufzuweisen: Zum einen besitzt sie bereits einen Bulge, die große Ansammlung von Sternen, die dicht um das galaktische Zentrum gepackt sind. Dies sei das erste Mal, dass ein Bulge so früh in der Geschichte des Universums beobachtet wurde, so die Astronomen. Zum anderen aber entspricht ihre Rotation in der Verteilung der Bewegungsgeschwindigkeiten über die Scheibe der heutiger Spiralgalaxien.

Widerspruch zur gängigen Theorie

Obwohl diese Galaxie aus dem noch jungen Universum stammt, ist SPT0418-47 damit unserer Milchstraße und anderen Galaxien des heutigen, lokalen Kosmos in diesen Kernmerkmalen überraschend ähnlich. Insgesamt ist diese frühe Sternansammlung weit geordneter als nach den gängigen Modellen für diese Zeit erwartet. Sie widerspricht damit der Theorie, nach der alle Galaxien im frühen Universum turbulent und instabil waren. „Was wir gefunden haben, war ziemlich rätselhaft: Obwohl sich Sterne mit hoher Geschwindigkeit bilden und daher hochenergetische Prozesse ablaufen, ist SPT0418-47 die am stärksten geordnete Galaxienscheibe, die je im frühen Universum beobachtet wurde, erklärt Rizzos Kollegin Simona Vegetti. „Dieses Ergebnis ist ziemlich unerwartet und hat wichtige Auswirkungen darauf, wie sich nach unseren Vorstellungen Galaxien entwickeln.“

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Die Entdeckung von SPT0418-47 und ihren überraschenden Merkmalen könnte darauf hindeuten, dass das gängige Modell möglicherweise nicht vollständig ist. Denn offenbar war das frühe Universum nicht so chaotisch, wie man bislang angenommen hat. „Dieses Ergebnis stellt einen Durchbruch auf dem Gebiet der Galaxienentstehung dar und zeigt, dass die Strukturen, die wir in nahen Spiralgalaxien und in unserer Milchstraße beobachten, bereits vor zwölf Milliarden Jahren vorhanden waren“, sagt Rizzo. Damit wirft SPT0418-47 allerdings auch die Frage auf, wie sich eine so gut geordnete Galaxie so kurz nach dem Urknall gebildet haben konnte. Eine Antwort erhoffen sich die Astronomen von künftigen Beobachtungen mit neuen, teils noch im Bau befindlichen Teleskopen. Sie könnten auch helfen herauszufinden, wie häufig solche ungewöhnlich geordneten Sternenansammlungen im jungen Kosmos waren.

Quelle: Francesca Rizzo (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2572-6

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