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Kosmologie

Eine massereiche Galaxie im jungen Universum

Eine rund elf Milliarden Jahre alte Galaxie durchlief einen kurzen Schub an extrem heftiger Sternentstehung, danach hat sie sich kaum noch verändert. Darauf deuten spektrale Untersuchungen ihrer schweren Elemente hin.
Tanzender Staub in NGC 4696, aufgenommen mit dem Weltraumteleskop Hubble

Eine Forschergruppe um Mariska Kriek an der University of California in Berkeley nutzte das Zehn-Meter-Keck-Teleskop auf dem Mauna Kea und Archivdaten des Weltraumteleskops Hubble, um die weit entfernte Galaxie COSMOS 11494 näher zu untersuchen. Diese elliptische Galaxie hat eine Rotverschiebung von z = 2,1. Gemäß ihrer Entfernung zeigt sich daher so, wie sie vor rund elf Millliarden Jahren aussah. Zu dieser Zeit hatte das Universum erst 20 Prozent seines heutigen Alters erreicht. Die Forscher stellten anhand von spektroskopischen Messungen fest, dass das Mengenverhältnis von Magnesium zu Eisen sehr hoch ist. COSMOS 11494 ist demnach stark mit Magnesium angereichert. Es ist der höchste Wert, der bislang bei einer massereichen Galaxie gefunden wurde: Der Magnesiumgehalt ist etwa doppelt so hoch wie bei ähnlichen Welteninseln in unserer näheren kosmischen Umgebung. Die Masse von COSMOS 11494 liegt bei 320 Milliarden Sonnenmassen, was etwa vergleichbar mit derjenigen unseres Milchstraßensystems ist.

Von elliptischen Galaxien ist schon seit Längerem bekannt, dass der Großteil ihrer Sterne bereits früh nach dem Urknall entstanden sein muss. Heutzutage enthalten sie kaum noch Gas und Staub, so dass sich in ihnen praktisch keine neuen Sterne mehr bilden können. Die schweren Elemente in COSMOS 11494 waren allerdings nicht von Anfang an vorhanden, sondern gehen auf massereiche Sterne zurück, die heute nicht mehr existieren. Das Verteilungsmuster der schweren Elemente in dieser Galaxie belegt, dass vor allem Supernovae vom Typ II für die Anreicherung verantwortlich sind.

Supernovae dieses Typs entstehen, wenn sich massereiche Sterne wenige Millionen Jahre nach ihrer Entstehung zu Roten Riesen entwickeln, weil der Vorrat an Wasserstoff in ihrem Kern zur Neige geht. Daraufhin werden in ihrem Inneren durch nukleare Fusionsreaktionen immer schwerere Elemente erzeugt, wobei große Mengen an Energie frei werden, welche die Sterne zum intensiven Leuchten bringen und sie enorm aufblähen. Schließlich entsteht im Innersten der Sterne ein Kern aus Eisen – quasi die Verbrennungsasche; außerdem erlöschen die nuklearen Reaktionen, weil zur Bildung noch schwererer Elemente Energie benötigt wird. Diese wachsenden Eisenkerne können aber den enormen Drücken und Temperaturen nicht mehr standhalten, sobald ihre Masse einen Grenzwert überschreitet. Dann kollabieren sie schlagartig zu einem Neutronenstern, oder, bei sehr massereichen Sternen, zu einem Schwarzen Loch. Beim Kollaps der Eisenkerne werden enorme Stoßwellen erzeugt, welche die äußeren Schichten der Sterne durchlaufen und auseinanderreißen. Dadurch werden die in ihrem Inneren erzeugten schweren Elemente freigesetzt und mit den Supernova-Explosionswolken in der Galaxie verteilt.

Die Elementmuster für COSMOS 11494 deuten darauf hin, dass diese Galaxie eine vergleichsweise kurze Phase von 100 bis 500 Millionen Jahren durchlief, in der enorme Mengen an Sternen gleichzeitig entstanden, darunter auch viele massereiche. Tatsächlich wurden in dieser Zeitspanne zwischen 600 und 3000 Sonnenmassen pro Jahr in Sterne umgewandelt. Heute liegt die Sternentstehungsrate in COSMOS 11494 bei höchstens noch 0,6 Sonnenmassen pro Jahr. Zum Vergleich: In unserem Milchstraßensystem entstehen Sterne mit einer Rate von zwei bis drei Sonnenmassen pro Jahr. COSMOS 11494 besteht heute zum allergrößten Teil aus Sternen mit Massen unterhalb von einer Sonnenmasse. Solche Sterne sind sehr langlebig. Da sie eher in einem gelblichen bis rötlichen Licht leuchten, werden elliptische Galaxien auch gerne "rot und tot" (englisch: red and dead) genannt, weil sie sich auch über lange Zeiträume hinweg kaum noch verändern.

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