Das frühe Universum stellt Astronomen immer wieder vor große Herausforderungen. So stellen Beobachtungen massereicher Galaxien und Galaxienhaufen (englisch: galaxy clusters), die für ihre Zeit zu weit entwickelt sind, längst keine Ausnahme mehr dar. Klassischen theoretischen Entwicklungsmodellen zufolge bilden sich derartige Strukturen hierarchisch und über einen Zeitraum von mehreren Milliarden Jahren: Junge Galaxien mit aktiver Sternentstehung klumpen sich durch gravitative Wechselwirkungen langsam zu immer größeren Strukturen zusammen, bis sich daraus Vorstufen erster Galaxienhaufen (englisch: protocluster) bilden. Über Äonen von Jahren verschmelzen sie schließlich zu massereichen elliptischen Galaxien, so die bisherige Annahme. Beobachtungen zeigen jedoch das Gegenteil: Bereits wenige Milliarden Jahre nach dem Urknall existieren überraschend große elliptische Galaxien mit älteren Sternpopulationen – wie sie sich in astronomisch gesehen derart kurzen Zeiträumen gebildet haben können, ist noch weitgehend ungeklärt.

Einem Team um den Astronomen Nikolaus Sulzenauer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn ist zu dieser Frage nun ein wichtiger Fortschritt gelungen: Bei Untersuchungen des jungen Galaxienhaufens SPT2349-56 im südlichen Sternbild Phönix zeigte die Gruppe mithilfe von Daten des Radioteleskopverbunds ALMA, dass die beteiligten Galaxien innerhalb von nur 300 Millionen Jahren zu einer einzigen, gigantischen elliptischen Galaxie verschmelzen könnten. Dafür müssen die beteiligten Galaxien massiv Energie und Drehimpuls abgeben. Die Ausbildung gewaltiger Gezeitenarme und Stoßwellen könnte diesen sogenannten monolithischen Kollaps ermöglichen, zeigen numerische Simulationen. Die Gasströme fungieren zudem als Transportwege, um schwerere Elemente wie Kohlenstoff aus dem Inneren der Galaxien in den Raum zwischen ihnen zu befördern – was ein weiteres Rätsel löst. Seine Ergebnisse veröffentlichte das Team im Fachmagazin »The Astrophysical Journal«.

SPT2349-56 wurde erst im Jahr 2018 bei einer Rotverschiebung von z = 4,3 entdeckt – entsprechend präsentiert sich uns der Haufen, wie er rund 1,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall existierte. Die Materiedichte in seinem Inneren ist außergewöhnlich hoch: Innerhalb eines Bereichs von etwas mehr als 400 000 Lichtjahren befinden sich etwa 40 gasreiche Galaxien – ein Hinweis darauf, dass sich dieser Bereich bereits sehr früh von der kosmischen Expansion entkoppelt hat. SPT2349-56 hält zudem den Rekord für die höchste bekannte Sternentstehungsrate im frühen Universum. Während die Milchstraße lediglich drei bis vier Sterne pro Jahr bildet, bringen allein die vier Galaxien in der zentralen Region des Haufens alle 40 Minuten einen neuen Stern hervor.

Um das Galaxienquartett identifizierte das Team nun gewaltige zusammenhängende Gasarme aus ionisiertem Kohlenstoff, die sich über eine Distanz von rund 200 000 Lichtjahren erstrecken – weit größer als der Durchmesser unserer Galaxis. Sie entstehen durch starke Gezeitenkräfte bei Kollisionen und Verschmelzungen im extrem dichten Zentrum der Struktur. Dabei werden riesige Mengen an Gas mit bis zu 300 Kilometern pro Sekunde aus den inneren Galaxien in das umgebende Medium geschleudert. Dort trifft es auf kühlere Staubschichten. In der Folge bilden sich gewaltige Stoßwellen, die das umliegende kohlenstoffhaltige Medium stark aufheizen. Es strahlt etwa zehnmal heller im Infrarot- und Submillimeterbereich, als man es für reine Staubemission erwarten würde. Wie Perlen auf einer Schnur zeigen sich innerhalb der Gezeitenarme Regionen hoher Strahlungsintensität von etwa 16 000 Lichtjahren Ausdehnung. Dort wird Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt; der Prozess entzieht dem System effektiv Energie und wirkt wie eine kosmische Bremse. In Kombination mit der dynamischen Reibung verlieren die Galaxien auf diese Weise genügend Drehimpuls und Energie, sodass sie schneller in das gemeinsame Gravitationszentrum stürzen können. Erst mithilfe dieser starken Emissionsquellen war das Team in der Lage, die Bewegung des Gases präzise zu vermessen.

Zur Überraschung der Gruppe sind die hellen »Emissionsklumpen« mit weiteren 20 Galaxien in den weiter außen liegenden Bereichen des Protoclusters verbunden. Es ist der Beginn eines kaskadenartigen Verschmelzungsprozesses, an dessen Ende eine gewaltige elliptische Galaxie stehen wird, vermutet das Team – deutlich früher, als es klassische Modelle des hierarchischen Wachstums postulierten. Zwar sind die verschiedenen Wechselwirkungen wie jene zwischen den Stoßwellen noch weitgehend ungeklärt; die Erkenntnisse könnten dennoch eine Lösung bieten für das langjährige Paradoxon der frühen Existenz massereicher elliptischer Galaxien in weit entfernten Galaxienhaufen wie XLSSC 122.