Frühes Universum

Beobachtungen bei Wellenlängen zwischen 1,4 und 0,8 mm spielen eine grundlegende Rolle bei der Untersuchung des staubigen Universums mit hoher Rotverschiebung, da die Signalstärke bei diesen Wellenlängen fast unabhängig von der Rotverschiebung ist. Dies ermöglicht es uns, die Entwicklung von Galaxien für Zeiten, in denen das Universum etwa halb so alt war wie heute (z~1), bis hin zu Zeiten, die nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall lagen (z~8), zu untersuchen. Unter Verwendung von Kontinuum-Durchmusterungen von APEX und dem Südpol-Teleskop in Synergie mit ALMA und NOEMA untersuchen wir die Entstehung der ersten massereichen, staubumhüllten Galaxien nach dem Urknall, die Bildung von Galaxienhaufen sowie die Entwicklung des dichten Zentralbreichs von Galaxien in der Ära der Entstehung von Galaxien bis zur Reionisierungsepoche.

Die Rotverschiebungsverteilung von mm selektierten, sternbildenden Galaxien

ALMA-3mm-Spektren der kompletten Stichprobe von mm-ausgewählten staubigen, sternbildenden Galaxien aus der South Pole Telescope-Durchmusterung. Die Spektren sind nach der Rotverschiebung der Galaxien geordnet und reichen von z=2,0 bis z=6,9 nur 770 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Die Rotverschiebung wird hauptsächlich aus den beobachteten Frequenzen der Rotationsübergänge des CO-Moleküls und aus dem Grundübergang der Feinstrukturlinie von atomarem Kohlenstoff bestimmt.

Mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array haben wir eine blinde Rotverschiebungsmessung im 3mm atmosphärischen Transmissionsfenster in einer vollständigen flussbegrenzten Stichprobe (S850 > 25mJy) von 81 staubigen, sternbildenden Galaxien (DSFGs) durchgeführt, die aus der 2500deg2 South Pole Telescope (SPT) Durchmusterung ausgewählt wurden. Durch die Kombination dieser Messungen mit Zusatzdaten ist die SPT-Stichprobe nun spektroskopisch vollständig, mit Rotverschiebungen von 1,9<z<6,9 und einem Median von z = 3,9 ± 0,2.  Ein Vergleichen die Eigenschaften der SPT-Quellen mit denen der DSFG-Population ohne Gravitationslinsen zeigt, dass die SPT-ausgewählten DSFGs die extremsten infrarot-leuchtenden Galaxien im Universum darstellen, selbst wenn man die starke Gravitationslinsenverstärkung  berücksichtigt.  Diese SPT-Stichprobe enthält etwa die Hälfte der bekannten spektroskopisch bestätigten DSFGs bei z>5, was sie zur bisher größten Stichprobe von hochverschiebten DSFGs macht und es ermöglicht, den hochverschiebten Anteil der extrem leuchtenden DSFGs zu messen. Obwohl Galaxienentstehungsmodelle Schwierigkeiten haben, die SPT-Rotverschiebungsverteilung zu erklären, wird die größere Stichprobenstatistik dieser vollständigen und gut definierten Durchmusterung dazu beitragen, zukünftige theoretische Bemühungen zu informieren.

Bildung von Galaxienhaufen im frühen Universum

Beobachtungen des Proto-Galaxienhaufens SPT2349-56 bei einer Rotverschiebung von z=4,3 bei 0,87 mm vom Apex-Teleskop (oben links) und ALMA in Richtung des Zentrums des Haufens (Mitte). Die Zugehörigkeit zum Galaxienhaufen wird durch Beobachtungen der [CII]-Emissionslinie bestätigt (graue Spektren).

Unser Universum entwickelte sich hierarchisch und baute seine Struktur schrittweise von Galaxiengruppen zu Galxienhaufen auf. Simulationen deuten darauf hin, dass die höchsten Sternentstehungsraten in der Proto-Galaxienhaufen Umgebung auftraten, wobei die massereichsten Halos ihre größte Sternentstehung Aktivität zu einem früheren Zeitpunkt erreichten als diejenigen mit geringerer Masse. Massereiche Galaxienhaufen werden bis z < 2,0 gefunden, mit Sternen die in noch früheren Epochen entstanden sind. Beobachtungs Nachweise für die Bildung von Proto-Galaxienhaufen mit solch extremen Sternentstehung Ereignissen in sehr frühen Epochen (z>3) waren jedoch bis vor kurzem nicht zu finden.

In einer 1,4mm-Durchmusterung über 2500 Grad2 entdeckte das South Pole Telescope (SPT) eine Population seltener und mm-heller Quellen. Unsere ALMA-870μm Abbildung und -Spektroskopie zeigt, dass es sich bei ∼90 % dieser Quellen um einzelne, gravitativ verstärkte, staubige sternbildende Galaxien bei z∼4 handelt.

Allerdings zeigen ∼10% der SPT-Quellen keinen Hinweis auf Gravitationslinsen, sind selbst für LABOCA/APEX (19,8''-Auflösung) ausgedehnt, zeigen starke Quellenüberdichten an hellen 870μm-Strahlern im Vergleich zum Feld und werden in ALMA Abbildungen in einzelne Galaxien aufgelöst. Sie weisen somit alle erwarteten Eigenschaften der aktivsten Phase der frühen Haufenbildung auf. Mit unseren LABOCA- und ALMA-Aufnahmen haben wir insgesamt 9 Proto-Haufen-Kandidaten aus der gesamten 2500-deg2-Abdeckung der SPT-Durchmusterung identifiziert. Ähnliche System werden auch in grossräumigen Durchmusterungen im sub-millimeter Wellenlängenbereich mit  Herschel gefunden. Laufende Beobachtungsprogramme zielen darauf ab, alle einzelnen Galaxien und ihre Rotverschiebungen zu identifizieren, um zu beweisen, dass diese Systeme tatsächlich Proto-Galaxienhaufen in dem  Rotverschiebungsbereich z=3-7 liegen.

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