Frühes Universum
Die Erforschung der Submillimeterstrahlung aus der Frühzeit des Universums hält den Schlüssel zum Verständnis der Galaxienentstehung. Da in diesem Wellenlängenbereich die Strahlungsintensität nicht mit der Rotverschiebung abnimmt, erlaubt sie Astronominnen und Astronomen die Entwicklung von Galaxien in einer Zeit von etwa dem halben Alter des Universums (z~1) bis nach nur wenige hundert Millionen Jahren nach dem Urknall (z~8) zu untersuchen. Durchmusterungen des Staubkuntinuums mit Teleskopen, wie etwa mit APEX, dem IRAM 30m oder mit dem South Pole Telescope (SPT), verbunden mit hochsensiblen and räumlich aufgelösten Beobachtungen mit Interferometeranordnungen, wie mit ALMA oder NOEMA, ermöglichen die Untersuchung von kaltem Gas und Staub, dem Treibstoff für junge Sterne. Diese Experimente haben die Ziele, (i) die Bildung von massereichen Galaxien nachzuvollziehen, (ii) den frühen Kollaps von Galaxienhaufen aufzuzeichnen und (iii) den Aufbau der stellaren Strukturen in galaktischen Zentren, noch vor dem Ende der kosmischen Reionisation, besser zu verstehen. Komplementär zu spektro-photoemtrischen Aufnahmen von Sternpopulationen and Übergängen von ionisiertem Gas im Optischen und Nah-Infraroten – die nun mit Hilfe des JWST gewonnen werden können – ermöglicht uns die Submillimeterstrahung direkte, hoch-aufgelöste Einblicke in das Wachstum der ersten Galaxien im frühen Universum zu erlangen.
Eine klare Sicht auf Sterne, Staub und Gas von jungen Galaxien
© Michael Romano (MPIfR) / ALPINE-CRISTAL-JWST Team
Die Eigenschaften hoch-rotverschobener Galaxien stehen im starken Kontrast zu denen lokaler Systeme. Sie werden durch massereiche, kalte Gasreservoire, hohe Verschmelzungsraten und stark angeregte Turbulenz im interstellaren Medium ausgezeichnet. Um verstehen zu können, wie die ersten Galaxien in der Epoche der kosmischen Reionisation (z > 6) entstanden sind, ist es bedeutsam, alle Materiekomponenten – wie Sterne, Gas und Staub – bei hoher räumlicher Auflösung zu erfassen. Eine wichtige Synergie besteht zwischen Submillimeter-Teleskopanordnungen (wie ALMA und NOEMA) and Weltraumteleskopen wie dem JWST, welche bedeutende Linienemission (wie [CII]) des frühen Universums beobachten können. ALMA kann das kalte interstellare Medium bei Ruhewellenlänge im Fern-Intraroten empfangen, während JWST ein tiefgreifendes Verständnis der physikalischen Prozesse im warmen und heißen Gas auf sub-Kiloparsec Skalen ermöglicht. Gemeinsam werden diese Observatorien genutzt, um die Orte der Sternentstehung zu kartieren und um die inneren Strukturen von frühen Galaxien zu erkunden, die ansonsten hinter dichten Staubwolken verhüllt geblieben wären. Außerdem ist es möglich, die Verteilung von Staub und Gas, die Anreicherung des interstellaren Mediums mit schweren Elementen und die komplexe Dynamik von molekularen und ionisierten Wolken in- und zwischen Galaxien zu vermessen.
Die Verbindung aus hoher räumlicher Auflösung und breitem Wellenlängenbereich ermöglicht die Untersuchung des Baryonenzykluses, des Wechselspiels zwischen interstellaren und zirkum-galaktischen Gasphasen und des frühen Wachstums von supermassereichen Schwarzen Löchern. Diese zukunftsweisenden Forschungsbereiche ermöglichen es, Regulationsmodelle des Galaxienwachstums zu testen, die bis in den heutigen Kosmos wirklsam sind.
Proto-Galaxienhaufen im frühen Universum
Die Hälfte aller Galaxien sind in Gruppen und Haufen zu finden. Es ist dadurch anzunahmen, dass kosmische Umgebung einen bedeutenden Beitrag zur Galaxienentwicklung leistet. Darüber hinaus haben Galaxien in den ersten Milliarden Jahren nach dem Urknall höhere Sternentstehungsraten als Galaxien im lokalen Universum. Bislang ist nicht klar, ab wann und durch welche Prozesse die Sternentstehung in besonders dichter Umgebung diesen Trend umkehren kann. Ein bedeutender Vorgang, da Haufengalaxien im lokalen Unviersum fast keine Sterne mehr bilden. Die Untersuchung der Vorläuferstrukturen – Proto-Galaxienhaufen – zu einer Zeit in der die meisten Galaxien erst gebildet werden (z~4), bietet ein einzigartiges Fenster zu den Prozessen, die die Sternentstehung in Haufen regulieren und für den Kollaps dieser Strukturen verantwortlich sind.
Jedoch erfordert die Kurzlebigkeit von massereichen, aktiv sternbildenden Überdichten und deren enorme Größe am Himmel, den Einsatz von großräumigen Durchmusterungen, die weite Teile des Himmels erfassen können. Hierbei kommen Teleskope wie APEX oder das SPT zum Einsatz, die dabei helfen, Submillimeter-helle aber durch Staub verdunkelte Galaxien zu kartieren. Gruppen dieser Submillimeter-Galaxien (SMGs) – Sternfabriken mit Sternentstehungsraten von über Tausend Sonnenmassen pro Jahr – sind dabei ein besonders robustes Signal für Proto-Galaxienhaufen. Da SMGs nur eine kurzlebige Phase der Galaxienentwicklung repräsentieren, wird eine erstaunliche Vielfalt an Stadien der Galaxienentwicklung und damit sogar erste elliptische Galaxien in Proto-Haufen erwartet. Die Erforschung dieser Strukturen ist damit besonders relevant für das Verständnis der Phase der Erlöschung der Sternentstehung bereits im frühen Universum.
Um die Vielfalt von seltenen Galaxienansammlungen statistisch einzufangen, wird eine Kombination von großräumigen Durchmusterungen und detaillierten Untersuchungen der individuellen Galaxieneigenschaften in verschiedenen Wellenlängenbereichen eingesetzt. Damit lassen sich Proto-Haufen aufspüren und sogar Schlüsse auf die stellaren Populationen der Submillimeter-Galaxien und deren Nachfahren ziehen, um dem Rätsel des Umgebungseffekts auf die Schliche zu kommen. Gemeinsam ermöglichen diese Beobachtungen eine Brücke zu schlagen, zwischen den Kernen der Proto-Galaxienhaufen und den Eigenschaften von massereichen, elliptischen Galaxien im heutigen Universum.