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Astronomie+Physik

„Verhungerte“ Galaxien im frühen Kosmos

Galaxien
Kompositaufnahme (Hubble/ALMA) des von einer Gravitationslinse vergrößerten Galaxienhaufens MACSJ 0138. (Bild: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Dagnello (NRAO), STScI, K. Whitaker et al)

Eigentlich war die Frühzeit unseres Kosmos eine Phase intensiven Wachstums: In schneller Folge entstanden neue Sterne und Galaxien. Doch es gibt einige frühe Galaxien, die trotz ihrer enormen Größe einfach abstarben – ihre Sternbildung stoppte aus bislang ungeklärten Gründen fast völlig. Sechs dieser erloschenen Urzeit-Galaxien haben Astronomen nun mit dem Weltraumteleskop Hubble und den Radioantennen des ALMA-Observatoriums näher untersucht. Die Aufnahmen enthüllten: Ursache für das Ende der Sternbildung war offenbar ein drastischer Rohstoffmangel. Den Galaxien fehlte das kalte Gas, aus dem normalerweise neue Sterne entstehen. Warum, ist allerdings noch rätselhaft.

Rund zwei bis drei Milliarden Jahre nach dem Urknall durchlief unser Universum eine Hochphase der Aktivität: Überall entstanden in schnellem Tempo neue Sterne und Galaxien wuchsen zu enormer Masse heran. „Diese massereichsten Galaxien des Universums lebten schnell und heftig und produzierten ihre Sterne in einer bemerkenswert kurzen Zeit“, erklärt Erstautorin Katherine Whitaker von der University of Massachusetts in Amherst. Der Rohstoff dafür, kaltes molekulares Wasserstoffgas, war reichlich vorhanden und trieb die Sternbildung an. Doch in den letzten Jahren haben Astronomen einige frühe, massereiche Galaxien entdeckt, die anders sind: Sie sind weitgehend inaktiv und ihre Sternbildung ist nahezu zum Erliegen gekommen. „Aus irgendeinem Grund haben sie einfach abgeschaltet“, so Whitaker. Beobachtungen legen nahe, dass rund drei Milliarden Jahre nach dem Urknall bis zur Hälfte der massereichen Galaxien im Kosmos von diesem Erlöschen betroffen gewesen sein könnte.

Doppelt vergrößert

Um herauszufinden, warum diese frühen Galaxien nach einem fulminanten Start plötzlich erloschen sind, haben Whitaker und ihre Kollegen sechs dieser Galaxien genauer unter die Lupe genommen. Dabei nutzten sie im Rahmen des REQUIEM-Projekts eine Kombination aus leistungsstarken menschengemachten Teleskopen und einem natürlichen Vergrößerungsglas: Gravitationslinsen. Bei diesen verstärkt und vergrößert die Schwerkraft einer massiven Vordergrundgalaxie das Licht ihrer weiter entfernten „Artgenossen“. „Wenn eine ferne Galaxie kaum noch neue Sternen bildet, wird sie so lichtschwach, dass es schwer oder sogar fast unmöglich wird, sie mit einem einzelnen Teleskop näher zu untersuchen“, erklärt Co-Autor Justin Spilker von der University of Texas in Austin. „REQUIEM löst dieses Problem, indem es Galaxien untersucht, die von einer Gravitationslinse vergrößert werden.“

Die sechs jetzt untersuchten Galaxien haben eine solche Gravitationslinse und liegen rund zwölf Milliarden Lichtjahre entfernt. Das Forschungsteam konnte dadurch die Details dieser urzeitlichen Gebilde mithilfe des Weltraumteleskops Hubble und den Radioteleskopen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) sichtbar machen. Während die Hubble-Aufnahmen die Galaxien im nahinfraroten bis ultravioletten Bereich des Lichts abbilden und so beispielsweise die Verteilung der Sterne zeigen, macht die von ALMA eingefangenen Radio- und Mikrowellenstrahlung den Staub und damit den Rohstoff für die Sternbildung sichtbar.

Zu wenig kaltes Gas

Die kombinierten Aufnahmen enthüllten Überraschendes: „Wir haben ursprünglich angenommen, dass diese erloschenen Galaxien bei ihrer Sternbildung gewissermaßen auf die Bremse getreten sind“, sagt Whitaker. Es wurde vermutet, dass die Umwandlung von kaltem Gas in kompakte Sterne – also die Sternbildung selbst – bei diesen Galaxien irgendwie gestört wurde. „Aber in unserer neuen Studie haben wir herausgefunden, dass die frühen Galaxien nicht auf die Bremse getreten sind, sondern dass ihr Sprit alle war“, erklärt die Astronomin. Denn die Beobachtungen zeigten, dass diese massereichen frühen Galaxien kaum noch Rohstoff für die Sternbildung enthielten. Ihr Gehalt an kaltem, molekularem Gas lag um mehr als das Zehnfache niedriger als den Modellen zufolge normal, wie das Team berichtet. „Dies sind die ersten Messungen der Verteilung kalten Gases in fernen ruhenden Galaxien und die ersten Messungen dieser Art außerhalb des lokalen Kosmos, sagt Whitaker.

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Diese Ergebnisse legen nahe, dass die frühen Galaxien es aus irgendeinem Grund nicht geschafft haben, ihren „Tank“ wieder aufzufüllen – obwohl es im frühen Kosmos eigentlich reichlich Gas gab. „Wir verstehen noch nicht, warum das passierte“, sagt Co-Autorin Christina Williams von der University of Arizona. „Mögliche Erklärungen könnten sein, dass der Gaseinstrom in diese Galaxien abgeschnitten wurde oder dass das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie so viel Energie abgibt, dass das galaktische Gas zu heiß bleibt.“ Letzteres könnte auch erklären, warum ein Großteil dieser frühen erloschenen Galaxien es auch im Verlauf der weiteren Entwicklung nicht schaffte, die Sternbildung wieder anzuwerfen, mutmaßen die Astronomen. „Wir müssen noch eine Menge darüber lernen, warum die massereichsten Galaxien des Universums so früh entstanden und dann ihre Sternbildung beendeten, obwohl genug Gas verfügbar war“, sagt Whitaker. Die aktuellen Beobachtungen seien dazu erst ein erster kleiner Schritt.

Quelle: Katherine Whitaker (University of Massachusetts, Amherst) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03806-7

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