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Galaxienentwicklung: Gut gewachsen

Im frühen Universum waren viele Galaxien anscheinend deutlich kleiner und dichter als ihre heutigen Kollegen. Erklären kann das allerdings noch niemand.
Hubble Ultra Deep Field
Das Licht der ältesten und leuchtkräftigsten Galaxien aus dem frühen Universum reist Milliarden Jahre durch die Weiten des Weltalls, bis es den Astronomen ins Teleskop geht – nur um hier für Verwirrung zu sorgen. Zwar gleicht die Masse der frühzeitlichen Sterninseln derjenigen heutiger elliptischer Galaxien, doch scheinen sie damals viel kompakter gewesen zu sein.

Im gegenwärtigen Universum sind derart dichte Zusammenballungen nicht mehr zu beobachten – stattdessen folgen hier alle Systeme einer anderen, fein abgestimmten Masse-Größe-Beziehung. Die Vorgänger müssen deshalb im Lauf der Zeit bei gleichem Gewicht um ein Vielfaches angewachsen sein, schließen Wissenschaftler. Dumm nur, dass theoretische Modelle diese Zunahme nicht erklären können.

In die Vergangenheit geschaut

Hatten Wissenschaftler vielleicht einfach die Masse der frühen Sternsysteme, die sie aus deren Leuchtkraft ableiteten, überschätzt? Pieter van Dokkum von der Yale University in New Haven und Kollegen war diese Lösung des Problems zu einfach. Sie wollten die früheren Messungen unabhängig bestätigen und konzentrierten sich nun auf die Bewegung der Sterne in einer dieser zusammengepressten Galaxien.

Denn sollten die Systeme tatsächlich so klein und massereich sein wie von ihren Kollegen anhand der Helligkeit berechnet, so müssten sich die Sterne darin laut Newton im Mittel viel schneller bewegen als in heutigen gleichgewichtigen, aber ausgedehnteren Gegenstücken. Mit dem Gemini-Teleskop in Chile überprüfte das Team nun die 10,7 Milliarden Lichtjahre von uns entfernte Galaxie 1255-0 – für insgesamt 29 Stunden. Zudem zogen sie Aufnahmen des Weltraumteleskops Hubble zu Rate.

Aus dem eingefangenen Lichtspektrum leiteten sie dann die Geschwindigkeitsverteilung der Sterne ab: Deren Tempo wirkt sich nämlich auf die Breite der empfangenen Spektrallinien aus. Demnach düsen einige Gestirne mit Geschwindigkeiten von rund 1600 Kilometern pro Sekunde durch die Gegend – und sind damit etwa doppelt so flott wie unsere Sonne in der Galaxis unterwegs. Gleichzeitig ist 1255-0 fünf- bis sechsmal kleiner als die Milchstraße, aber viermal so massereich, berichten die Forscher.

Vergleich der Galaxien | Das Bild zeigt die Milchstraße im Vergleich zu einer kompakten Galaxie im frühen Universum.
Diese Ergebnisse stimmen gut mit der aus fotometrischen Daten abgeleiteten Masse und Kompaktheit überein. Struktur und Dynamik der Galaxien müssen sich also in den letzten zehn Milliarden Jahren tatsächlich enorm verändert haben, schließen van Dokkum und sein Team. Allerdings hüten sie sich vor voreiligen Schlüssen, denn systematische Fehler könnten ihre Analyse verfälscht haben: Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des ausgewerteten Spektrums war sehr niedrig. Und so könnte die ermittelte Masse auch um 50 Prozent größer oder kleiner sein.

Dennoch bestärkt der neue Befund die Messungen ihrer Astronomenkollegen, und die Theoretiker sollten sich schon einmal Gedanken machen, wie solche Sternsysteme ins Bild passen könnten. "Möglich ist, dass wir hier genau das beobachtet haben, was letztlich zu der dichten zentralen Region einer sehr großen Galaxie wird", erklärt Teammitglied Marijn Franx von der Universität Leiden in den Niederlanden.

Einfache Sternentstehung komme aber nicht in Frage, um den späteren Größenzuwachs zu erklären, denn die bislang untersuchten kompakten Galaxien haben die Produktion neuer Gestirne anscheinend bereits eingestellt. Uralte Sterne, die man in ihren potenziellen Nachfolgern – elliptischen Galaxien in relativer Nachbarschaft zur Erde – findet, untermauern diese Annahme.

Exotische Alternativen

Für überzeugender halten die Wissenschaftler um van Dokkum deshalb die Idee, dass Sternsysteme von geringer Masse mit den dichten Exemplaren verschmolzen. So würde die Größe anwachsen, während das Gewicht kaum zunimmt. Ob dieser Mechanismus ausreicht, um die heute beobachteten Verwandten aufzublähen, sei aber ebenfalls noch unklar. Zudem bringen leichte Galaxien auch jede Menge junge Sterne mit sich – und die ließen sich in den frühzeitlichen Schwergewichten bislang nicht ausmachen.

Natürlich wären auch andere, exotischere Erklärungen denkbar – in denen etwa die mysteriöse Dunkle Materie eine tragende Rolle spielt oder Feedback-Prozesse innerhalb der Galaxie die Sterne auseinandertreiben. Aber wie so oft ist die Auflösung gegenwärtiger Teleskope einfach noch zu gering, um sich für die eine oder die andere oder eine ganz neue Theorie zu entscheiden. In den kommenden Jahren könnten neue Apparate dieses Feld jedoch revolutionieren, glauben die Forscher: Viele hundert Geschwindigkeitsverteilungen würden dann vielleicht endlich Gewissheit bringen.

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  • Quellen
van Dokkum, P. G. et al.: A high stellar velocity dispersion for a compact massive galaxy at redshift z = 2.186. In: Nature 460, S. 717–719, 2009.

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