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Kosmologie: Wie entstehen die hellen Submillimeter-Galaxien?

Mittels Computersimulationen lassen sich Einblicke in die Entstehung der hellen Submillimeter-Galaxien gewinnen, die sich durch extrem hohe Sternentstehungsraten auszeichnen.
Simulation der Gasverteilung in einer Starburst-Galaxie

Als unser Universum nur etwa ein Fünftel seines heutigen Alters aufwies, also rund drei Milliarden Jahre alt war, herrschten in den Galaxien ganz andere Bedingungen als heute. In ihnen entstanden Sterne in Massen – ihre Sternentstehungsrate lag um das Tausendfache höher als etwa in unserem heutigen Milchstraßensystem, in dem sich etwa zwei bis drei neue Sterne pro Jahr bilden. Diese jungen Galaxien gehören zu den leuchtkräftigsten Objekten aller Zeiten, leuchten aber im sichtbaren Licht eher sehr schwach. Der Grund hierfür ist, dass ihr Sternenlicht von umgebenden Ansammlungen aus Gas und Staub abgefangen und bei längeren Wellenlängen wieder abgestrahlt wird. Auf Grund dessen blieben sie unentdeckt, bis es zur Entwicklung der Submillimeterwellen-Astronomie kam. Nun hat eine Forschergruppe um Desika Narayanan vom Haverford College im US-Bundesstaat Pennsylvania, eine Erklärung gefunden, warum diese Submillimeter-Galaxien (SMG) überhaupt so extrem hell leuchten.

Simulation einer hellen Submillimeter-Galaxie | Ein Ausschnitt aus einer Computersimulation verdeutlicht, wie die hellsten Galaxien des Universums zu einer Zeit entstanden, als das Universum nur rund ein Fünftel seines heutigen Alters hatte. Dieses Bild zeigt die Verteilung von Gas und Staub in einem kleinen Ausschnitt der Simulation; in der Mitte befindet sich eine helle Galaxie, die über eine Filamentstruktur (grünlich) Gas an sich zieht. Rechts von ihr ist in rosa eine große Spiralgalaxie zu sehen, und im ganzen Feld befinden sich eine Menge kleinerer Welteninseln, die ebenfalls zur Leuchtkraft der zentralen Galaxie beitragen. Das in blaugrün dargestellte, umgebende Gas wurde zu einem großen Teil zuvor aus den gerade entstandenen Galaxien herausgeblasen und fällt nun in Richtung der zentralen Welteninsel. Dadurch wird ihre Sternentstehungsrate extrem erhöht.

Derzeit gibt es zwei bevorzugte Erklärungsansätze: Eine Theorie geht davon aus, dass sich solche Welteninseln durch eine Kollision zweier gasreicher Scheibengalaxien bilden. Dabei leuchten sie für rund 100 Millionen Jahre im Licht der Milliarden neu entstandenen Sterne. Der andere Ansatz geht dagegen davon aus, dass die SMGs die massereichsten Mitglieder der Galaxienpopulation des jungen Universums sind, die durch ständig aus der Umgebung nachströmendes Gas zu ihrer extrem starken Sternentstehung angeregt werden. Solche Galaxien können rund eine Milliarde Jahre lang so hell leuchten. Allerdings können beide Erklärungsansätze die tatsächlichen Befunde nicht völlig zufrieden stellend erklären.

Narayana und seine Kollegen führten nun hydrodynamische Computersimulationen durch, bei denen sich SMGs ergeben, die den tatsächlichen Beobachtungen sehr nahekommen. Diese Simulationen haben eine hohe räumliche Auflösung und können daher auch lokale Effekte deutlich machen, welche die Sternentstehung in den SMGs beeinflussen. Supernovaexplosionen massereicher Sterne sorgen dafür, dass riesige Mengen an Gas in den intergalaktischen Raum hinausgeblasen werden. Dieses Gas strömt in den Simulationen zu den massereichsten Galaxien zurück und löst dabei extrem hohe Sternentstehungsraten aus. Tatsächlich kann das vorher weggeblasene Gas das starke Schwerefeld dieser massereichen Galaxien nicht auf Dauer verlassen, so dass es schließlich zurückströmen muss.

Die Wissenschaftler um Narayanan folgern nun, dass die SMGs so hell leuchten, weil sie zuvor ausgestoßenes Gas aus ihrer Umgebung wieder an sich ziehen und damit die Sternentstehung anfeuern. Zudem tragen auch benachbarte Galaxien in der unmittelbaren Umgebung zum hellen Leuchten bei. Diese lassen sich wegen der großen Entfernungen nicht einfach räumlich aufgelöst beobachten. Nun muss sich bei weiteren Beobachtungen zeigen, ob diese Modellannahmen die Realität ausreichend genau beschreiben.

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