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Infrarotastronomie: Blick auf eine der ersten Großgalaxien im Universum

Subaru-Aufnahme von CFHQS J2329-0301 | Dieses Bild der Protogalaxie CFHQSJ2329-0301 nahmen japanische Forscher am Mauna-Kea-Observatorium auf Hawaii auf. Es zeigt das Sternsystem zu einem Zeitpunkt, als das Universum rund 800 Millionen Jahre alt war. Die starke Strahlung aus dem Zentrum deutet auf ein extrem massereiches Schwarzes Loch hin.
Die Farben Rot, Grün und Blau im Bild entsprechen drei Wellenlängen im nahen Infrarot. Tatsächlich begann dieses Licht allerdings im Ultravioletten seine Reise, doch die Expansion des Universums zog die Lichtwellen auf ihrem Weg um das 6,4-fache in die Länge.
Dieses Bild zeigt erstmals Details einer großen Protogalaxie, wie sie nur 800 Millionen Jahre nach dem Urknall aussah. Es entstand mit Hilfe der neuen Infrarotkamera am Teleskop Subaru auf Hawaii. In Größe und Masse ähnelt das Sternsystem der Milchstraße. Das Schwarze Loch in seinem aktiven Zentrum schätzen Forscher jedoch auf die 200-fache Masse des Exemplars in unserer Galaxis. Dies spricht für die Theorie, nach der extrem massereiche Schwarze Löcher die Keime der ersten Galaxien bildeten.

Die namenlose Galaxie mit der Katalognummer J2329-0301 fanden Astronomen im Jahr 2007 während des Canada-France High-Z Quasar Survey (CFHQS), einer systematischen Suche nach weit entfernten Quasaren. Diese aktiven Regionen in den Zentren von Galaxien lassen sich auch auf große Distanz noch entdecken, wenn ihre engen Stahlungskegel genau in unsere Richtung zeigen. Bis heute ist J2329-0301 das am weitesten entfernte bekannte Exemplar.

Illustration eines Quasars
Illustration eines Quasars | Junge Quasare verschlingen große Mengen Gas aus ihrer nächsten Umgebung und senden dabei an jedem Pol einen Kegel aus Materie und energiereicher Strahlung (=Jet) ins All. Das angezogene Material strudelt in einer Scheibe auf das zentrale Schwarze Loch zu und wird dabei mehrere Millionen Grad heiß. Starke Magnetfelder beschleunigen einen Großteil dieses Plasmas in den Polregionen nach außen.
Die Aufnahmen des CFHQS zeigten jedoch lediglich das helle Zentrum der Galaxie als punktförmige Strahlungsquelle (so entstand historisch auch die Bezeichnung Quasar: quasi-stellares Objekt). Das Bild des Instruments Subaru macht dagegen erstmals auch die umgebende Materie sichtbar.

Dass wir heute diese ersten Galaxien nur noch im nahen Infrarot sehen, liegt an der stetigen Ausdehnung des Universums. Diese hat auch die Lichtwellen auf ihrem Weg um mehr als das Sechsfache in die Länge gezogen. Tatsächlich begann das Licht der Quasare einst als ultraviolette Strahlung seine Reise.

Anders als bei bekannten Galaxien im frühen Universum ist die Sternentstehung in J2329-0301 erstaunlich gering. Während viele dieser "jungen Wilden" jährlich neue Sterne mit zusammen mehr als 100 Sonnenmassen bilden, deuten die Subaru-Messungen auf lediglich 1,6 Sonnenmassen jährlich im Umfeld des entfernten Quasars. Auch dies spricht dafür, dass das Schwarze Loch sehr schnell einen Großteil der Materie an sich gerissen hat, während die Gasdichte in der äußeren Galaxie eher gering ist.

Wie genau die extrem massereichen Schwarzen Löcher entstanden, die sich heute im Kern der meisten Galaxien finden, ist noch immer eines der größten Rätsel der Astronomie. Sicher ist inzwischen nur, dass sie sehr rasch auf ihre heutige Masse von Millionen bis Milliarden Sonnen anwuchsen. Bereits eine Milliarde Jahre nach dem Urknall kamen fast keine neuen Exemplare mehr hinzu.

Noch immer bewegt sich dieses Gebiet der Astronomie am Rand der technischen Möglichkeiten. Für das Bild von J2329-0301 mussten Wissenschaftler den 8,2-Meter-Spiegel des Teleskops Subaru mehr als fünf Stunden lang auf die Galaxie ausrichten. Die scheinbare Größe des Objekts am Himmel entspricht dabei nur der einer 1-Euro-Münze in mehr als einem Kilometer Entfernung. Erst die für das Jahr 2018 geplanten 30- und 42-Meter-Teleskope werden daher wohl einen umfassenden Einblick in die Geburtsstunde der Galaxien liefern.

Ralf Strobel

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