SUBMILLIMETER-ASTRONOMIE: Rekordverdächtige Ausbeute von weit entfernten Galaxien mit heftiger Sternentstehung

Neue Beobachtungen mit dem "Atacama Large Millimeter/submillimeter Array" (ALMA) zeigen, dass die heftigsten Sternentstehungsausbrüche im Universum bereits wesentlich früher stattfanden als bislang angenommen. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts wurden soeben in einer Reihe von drei Fachartikeln veröffentlicht und zeigen unter anderem auch den Nachweis von Wasser in der bis jetzt größten bekannten Entfernung im Kosmos (1). Erstautor einer der Veröffentlichungen ist Axel Weiß vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Die Forschungsergebnisse stellen eine aufregende Entdeckung mit dem neuen internationalen Observatorium ALMA dar, das am heutigen Tag offiziell eröffnet wird.

Hintergrundgalaxien durch Gravitationslinseneffekt sichtbar | Diese Zusammenstellung von vier verschiedenen fernen Galaxien kombiniert ALMA-Daten mit Bildinformationen vom Weltraumteleskop Hubble der NASA und der ESA. Die ALMA-Daten, dargestellt in Rot, zeigen die fernen Hintergrundgalaxien, die vom Gravitationslinseneffekt verzerrt werden. Verursacher der Verzerrungen sind die Vordergrundgalaxien, die anhand der Hubble-Daten in Blau erkennbar sind. Die Hintergrundgalaxien werden zu Lichtbögen verzogen, welche die Vordergrundgalaxien umgeben.

Die heftigsten Sternentstehungsausbrüche in sehr massereichen hellen Galaxien sind vermutlich bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt im Universum aufgetreten. Während eines solchen Ausbruchs, der als "Starburst" bezeichnet wird, setzen Galaxien mit hoher Geschwindigkeit gewaltige Mengen von kosmischem Gas und Staub in neue Sterne um. Dieser Prozess erfolgt viele hundert mal schneller als in normalen Galaxien, wie zum Beispiel in unserer Milchstraße. Ein Blick weit hinaus in die Tiefen des Universums und gleichzeitig auch weit zurück in dessen Vergangenheit erfasst Galaxien, deren Licht viele Milliarden Jahre unterwegs ist, ehe es die Erde erreicht. Auf diese Weise erhalten die Astronomen Zugang zur stürmischen Jugendphase des Universums.

"Je weiter so eine Galaxie entfernt ist, desto weiter schauen wir zurück in die Vergangenheit", erläutert Joaquin Vieira vom California Institute of Technology in den USA, der Leiter des Forschungsprojekts und Erstautor der Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Nature. "Damit können wir eine Zeitleiste zusammenfügen, die uns zeigt, mit welcher Heftigkeit das Universum im Verlaufe seiner inzwischen fast 14 Milliarden Jahre dauernden Geschichte neue Sterne gebildet hat."

Das international besetzte Wissenschaftlerteam hatte diese weit entfernten, rätselhaften Galaxien mit starker Sternentstehung zunächst mit dem South Pole Telescope (SPT) entdeckt, einem 10-Meter-Radioteleskop der US-amerikanischen National Science Foundation am Südpol. Anschließend hatten die Forscher detaillierte Beobachtungen mit ALMA durchgeführt, um die hohe Geburtenrate von Sternen im frühen Universum eingehend zu erforschen. Die Astronomen waren überrascht, als sie herausfanden, dass viele dieser staubreichen Galaxien mit hoher Sternentstehungsrate in noch größerer Entfernung stehen als erwartet. Das bedeutet, dass die heftigsten Sternentstehungsausbrüche im Durchschnitt vor zwölf Milliarden Jahren stattgefunden haben, als das Universum noch keine zwei Milliarden Jahre alt war – eine volle Milliarde Jahre früher als ursprünglich angenommen.

Zwei der beobachteten Galaxien sind die am weitesten entfernten Vertreter ihrer Art und tatsächlich so weit weg, dass die heute von ihnen beobachtete Strahlung ihre Reise begann, als das Universum noch keine Milliarde Jahre alt war. Darüber hinaus wurde in einer dieser rekordverdächtigen Galaxien Wassermoleküle nachgewiesen: das entfernteste Wasser im Universum, das bis dato beobachtet und veröffentlicht wurde.

Die Wissenschaftler haben die einzigartige Empfindlichkeit von ALMA dazu eingesetzt, die Signale von 26 dieser Galaxien bei einer Wellenlänge von 3 Millimetern zu erfassen. Die Strahlung wird von Gasmolekülen in den Galaxien bei ganz bestimmten charakteristischen Wellenlängen hervorgerufen. Während der Milliarden von Jahren, die das Signal unterwegs ist, ehe es uns hier auf der Erde erreicht, werden die Wellenlängen durch die Expansion des Universums auseinandergezogen: die so genannte kosmische Rotverschiebung. Durch die Messung der rotverschobenen Wellenlängen können die Astronomen nun berechnen, wie lange die Strahlung unterwegs war, und dadurch jeder Galaxie auf ihren richtigen Platz in der Geschichte des Universums zuweisen.

"Die Empfindlichkeit von ALMA und der große Wellenlängenbereich, den wir gleichzeitig erfassen können, bedeutet für uns, dass wir für jede Galaxie nur wenige Minuten Messzeit benötigen – das ist einhundert Mal schneller als vorher überhaupt möglich", erklärt Axel Weiß vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie, der das Projekt zur Bestimmung der Entfernungen der einzelnen Galaxien geleitet hat. "In den Zeiten vor ALMA bedeutete so eine Messung einen ziemlich zeitaufwändigen Prozess, bei dem Beobachtungsdaten von optischen und von Radioteleskopen miteinander verknüpft werden mussten."

Bei den meisten Galaxien konnte die Entfernung allein über die ALMA-Beobachtungen ermittelt werden. In einigen Fällen kombinierte das Team die ALMA-Daten aber noch zusätzlich mit Messungen von anderen Teleskopen, darunter auch das Atacama Pathfinder Experiment (APEX) und das Very Large Telescope der ESO.

Für diese Studie nutzten die Astronomen nur einen Teil der Anlage, bestehend aus 16 der insgesamt 66 großen Antennenschüsseln von ALMA, da das sich 5000 Meter über dem Meeresspiegel auf dem abgelegenen Chajnantor-Plateau in den chilenischen Anden befindliche Observatorium zum Zeitpunkt der Beobachtungen noch im Bau war. Sobald ALMA fertiggestellt sein wird, wird es deutlich empfindlicher sein und kann dann noch einmal deutlich schwächere Galaxien nachweisen. Bislang haben sich die Astronomen auf die helleren Exemplare konzentriert. Dabei haben sie auch Hilfe von der Natur selbst erhalten: Der Gravitationslinseneffekt, vorhergesagt von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, verzerrt die Abbilder einer fernen Galaxie durch den Einfluss des Schwerefelds einer näher gelegenen Vordergrundgalaxie. Die Vordergrundgalaxie verhält sich dabei wie eine Art Linse, welche die ferne Galaxie zudem heller erscheinen lässt.

Gravitationslinseneffekt verstärkt entfernte Galaxie | Diese schematische Darstellung zeigt, wie der Lichtweg einer fernen Galaxie im Schwerefeld einer näher gelegenen Vordergrundgalaxie verändert wird, die als Linse fungiert und so die ferne Galaxie heller, aber verzerrt aussehen lässt. Dabei entstehen charakteristische ringförmige Strukturen, die man als Einsteinringe bezeichnet. Die Analyse der Verzerrungen hat ergeben, dass einige der fernen Starburstgalaxien bis zu 40 Billionen (4 x 10¹³) mal so hell sind, wie unsere Sonne. Hinzu kommt ein Verstärkungseffekt um einen Faktor von bis zu 22.

Um präzise nachvollziehen zu können, wie stark der Gravitationslinseneffekt die Galaxien aufgehellt hat, haben die Wissenschaftler zusätzliche ALMA-Beobachtungen bei Wellenlängen um 0,9 Millimeter durchgeführt, aus denen besonders scharfe Bilder hervorgegangen sind.

"Diese wunderschönen ALMA-Bilder zeigen uns, wie sich die Hintergrundgalaxien zu Lichtbögen verformen, die die Vordergrundgalaxien umgeben, so genannte Einsteinringe", erklärt Yashar Hezaveh von der McGill University im kanadischen Montreal, der die Studie zum Gravitationslinseneffekt geleitet hat. "Wir verwenden sozusagen die gigantischen Mengen Dunkler Materie, die die Galaxien überall im Universum umgibt, als kosmische Teleskope, die die weiter entfernten Galaxien größer und heller erscheinen lassen." Die Analyse der Verzerrungen hat ergeben, dass einige der fernen Starburstgalaxien bis zu 40 Billionen (4 x 10¹³) mal so hell sind, wie unsere Sonne. Hinzu kommt ein Verstärkungseffekt um einen Faktor von bis zu 22.

"Bislang konnten nur wenige Galaxien, bei denen der Gravitationslinseneffekt eine Rolle spielt, bei Submillimeterwellenlängen nachgewiesen werden, aber jetzt haben das SPT und ALMA gleich mehrere Dutzend davon ausfindig gemacht", ergänzt Carlos De Breuck von der ESO, ein Mitglied des Teams. "Diese Art von Untersuchungen wurden bisher hauptsächlich im sichtbaren Licht durchgeführt, zum Beispiel mit dem Hubble Space Telescope. Unsere Ergebnisse zeigen, dass ALMA auf diesem Gebiet ebenfalls eine Menge zu leisten vermag."

"Unsere Studien sind ein hervorragendes Beispiel dafür, wie Astronomen aus aller Welt sich zusammentun, um gemeinsam mit einer hochmodernen Forschungsanlage eine faszinierende Entdeckung zu machen", schließt Teammitglied Daniel Marrone von der University of Arizona in den USA. "Für ALMA, ebenso wie für die Untersuchung von Starburstgalaxien, ist das erst der Anfang. Als nächstes wollen wir diese Objekte nun noch detaillierter untersuchen, um herauszufinden, wie und warum genau sie mit so immensen Raten Sterne bilden."

(1) Die Artikel erscheinen am 14. März 2013 in den Fachzeitschriften "Nature" und "Astrophysical Journal".

ALMA-Antennenschüsseln | Die hier sichtbaren ALMA-Antennenschüsseln sind eingetaucht in rotes Licht. Im Hintergrund sieht man links die südliche Milchstraße und oben die Magellanischen Wolken.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Von europäischer Seite aus wird ALMA über die Europäische Südsternwarte (ESO) finanziert, in Nordamerika von der National Science Foundation (NSF) der USA in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC) und dem taiwanesischen National Science Council (NSC), und in Ostasien von den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan. Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Die Europäische Südsternwarte (ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 15 Mitgliedsländer: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO ein Großteleskop mit 39 Metern Durchmesser für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird: das European Extremely Large Telescope (E-ELT).

Das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) hat Radio- und Infrarot-Astronomie als Hauptarbeitsgebiete. Die technologischen Entwicklungen im Institut umspannen den gesamten Beobachtungsbereich. Die theoretische Astrophysik ist ein weiteres Arbeitsgebiet. Die Erforschung der Physik von Sternen, Galaxien und des Universums beinhaltet als Schwerpunkte die Sternentstehung, junge stellare Objekte, Sterne in späten Entwicklungsstadien, Pulsare, das interstellare Medium der Milchstraße und externer Galaxien, das galaktische Zentrum und seine Umgebung, Magnetfelder im Universum, Radiogalaxien, Quasare und andere aktive Galaxien, Staub und Gas in kosmologischen Entfernungen, Galaxien in den Frühphasen des Universums, die Kosmische Strahlung, Hochenergie-Teilchenphysik und die Theorie der Sternentwicklung und aktiver galaktischer Kerne. Hierbei kommen die weltweit größten und wichtigsten Empfangsstationen für Signale aus dem All zum Einsatz. Das Institut betreibt das 100-m-Radioteleskop und die erste internationale Station von LOFAR, dem "Low-Frequency Array" am Standort Effelsberg in der Nähe von Bad Münstereifel.

Das Atacama Pathfinder Experiment (APEX) ist eine Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) zu 50 Prozent, dem "Onsala Space Observatory" (OSO) zu 23 Prozent, und der Europäischen Südsternwarte (ESO) zu 27 Prozent zum Aufbau und Betrieb einer modifizierten ALMA-Prototypantenne als Einzelteleskop für Submillimeter-Beobachtungen auf der hochgelegenen Chajnantor-Ebene. Das Teleskop wurde von der VERTEX-Antennentechnik in Duisburg gebaut. Der Betrieb von APEX vor Ort obliegt der ESO. Zusätzliche Beobachtungen einer Reihe von Galaxien im Rahmen des Forschungsprojekts wurden mit APEX, dem ESO-VLT, dem "Australia Telescope Compact Array" (ATCA) und dem Submillimeter-Array (SMA) durchgeführt.

Max-Planck-Institut für Radioastronomie