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Astronomie+Physik

Früheste Verschmelzung von Galaxien beobachtet

Galaxienverschmelzung
Komposit-Aufnahme von B14-65666 (links) und künstlerische Darstellung zweier verschmelzender Galaxien. (Bild: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble Space Telescope, Hashimoto et al.; NAOJ)

Ob unsere Milchstraße, unsere galaktischen Nachbarn oder ferne Sternenansammlungen im Kosmos: Fast alle Galaxien haben schon Kollisionen und Verschmelzungen erlebt. Jetzt haben Astronomen das bisher früheste Beispiel einer solchen kosmischen Karambolage entdeckt. Mithilfe des Radiotelekops ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) identifizierten sie ein 13 Milliarden Lichtjahre entferntes Objekt als zwei gerade kollidierende Galaxien. Diese Kombi-Galaxie ist nicht nur der bisher älteste Fall verschmelzender Galaxien. Sie ist auch das erste Objekt aus dem frühen Universum, für das sowohl die Wärmestrahlung von Staubwolken als auch die spektralen Signale von Sauerstoff und Kohlenstoff bestimmt werden konnten.

Unsere Milchstraße hat, wie viele andere Galaxien auch, eine bewegte Geschichte hinter sich. Denn sie hat im Laufe der Zeit schon einige Kollisionen mit benachbarten Galaxien überstanden, die heftigste davon vor rund zehn Milliarden Jahren. Erst durch diese Verschmelzung mit kleineren Nachbarn entstanden der dichte „Bulge“ im Milchstraßenzentrum und auch ein Großteil des umgebenden Halo. Auch in Zukunft steht unserer Heimatgalaxie eine Kollision bevor: In gut zwei Milliarden Jahren könnte sie mit der uns benachbarten Andromedagalaxie zusammenstoßen. So zerstörerisch und dramatisch dies klingt: Astronomen gehen davon aus, dass solche Galaxienkollisionen eine Triebkraft für die Sternbildung und das Wachstum von Galaxien sind. Bisher allerdings war unklar, ob diese Ereignisse im frühen Kosmos genauso abliefen wie im heutigen – auch weil es an eindeutigen Beobachtungen solcher Kollisionen bei hohen Rotverschiebungen fehlte.

Rätselhafte Klumpen

Jetzt jedoch ist es einem Astronomenteam um Takuya Hashimoto von der Waseda Universität in Tokio gelungen, zwei frühe Galaxien sozusagen auf frischer Tat zu ertappen – während der Verschmelzung. Für ihre Studie hatten sie die Antennen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) auf sechs Galaxien im fernen Kosmos gerichtet. Das Radioteleskop aus 66 Antennen ist das auflösungsstärkste Teleskop für Beobachtungen im Wellenbereich von 0,3 bis 9,6 Millimetern. Es eignet sich daher besonders gut dafür, die stark in den langwelligen Bereich verschobenen Spektren ferner Galaxien und Gaswolken einzufangen. Hashimoto und sein Team nutzten diese Fähigkeit, um sowohl die Wärmestrahlung galaktischer Staubwolken, als auch die spektralen Signale von Sauerstoff und Kohlenstoff in ihren Zielgalaxien einzufangen.

Eine der Galaxien erwies sich dabei als auffällig – B14-65666, ein rund 13 Milliarden Lichtjahre entferntes Objekt. Wie die Astronomen herausfanden, besitzt diese Galaxie nur ein Zehntel so viel Masse wie unsere Milchstraße, hat aber eine Sternbildungsrate, die hundertfach höher ist als die unserer Heimatgalaxie. Das spreche dafür, dass es sich hier um eine noch junge Sternenansammlung handele, so die Forscher. „B14-65666 ist damit die erste Galaxie mit aktiver Sternbildung aus der Epoche der Reionisation, für die wir einen kompletten Satz von Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Staubemission ermittelt haben“, berichten sie. Noch interessanter jedoch: Schon zuvor hatten Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop ergeben, dass diese Galaxie aus zwei rund 6500 bis 13.000 Lichtjahren voneinander entfernten Klumpen zu bestehen scheint. Näheres aber konnte man damals nicht ausmachen.

Zwei Galaxien bei der Kollision

Die neuen ALMA-Daten bestätigen dies nun und enthüllen auch, worum es sich bei diesen Klumpen handelt. Die Spektraldaten zeigten, dass sich die Geschwindigkeit beider Klumpen um rund 200 Kilometer pro Sekunde unterscheidet. Einer der beiden Teile scheint zudem relativ kompakt, während der andere wie auseinandergerissen und zerstreut erscheint, wie die Astronomen berichten. „Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass es sich bei B14-65666 um ein verschmelzendes System handelt“, sagen Hashimoto und sein Team. Die beiden auffälligen Klumpen entsprechen demnach den Resten der beiden Ausgangsgalaxien. Die große Leuchtkraft dieser beiden Reste und die hohe Sternbildungsrate von rund 200 Sonnenmassen pro Jahr stützen diese Vermutung, wie die Astronomen erklären.

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Damit ist B14-65666 das bisher älteste bekannte Beispiel für eine Galaxienverschmelzung im frühen Kosmos. Die Beobachtung solcher frühen Kollisionen liefert den Astronomen wertvolle Hinweise auf die Galaxienentwicklung im noch jungen Universum und auf die Faktoren, die das heutige Aussehen des Kosmos prägten. „Unser nächster Schritt ist es nun, auch nach den Signaturen von Stickstoff und anderen wichtigen chemischen Elementen in frühen Galaxien zu suchen“, sagt Hashimotos Kollege Akio Inoue. „Letztendlich hoffen wir dadurch zu verstehen, wie Elemente und Material im Kontext der Galaxienbildung und -entwicklung zirkulieren und sich ansammeln.“

Quelle: Takuya Hashimoto (Waseda Universität, Tokio) et al., Publications of the Astronomical Society of Japan, doi: 10.1093/pasj/psz049

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