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Megafusionen im frühen Universum

ALMA and APEX entdecken gewaltige Ansammlungen von neu entstehenden Galaxien im frühen Universum

25. April 2018

Mit den ALMA- und APEX-Radioteleskopen in Chile ist es zwei internationalen Forscherteams unter Beteiligung von Wissenschaftlern vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie gelungen, unglaublich dichte Konzentrationen von Galaxien nachzuweisen, die gerade dabei sind, miteinander zu fusionieren und damit die Kernzellen für die Entstehung von gigantischen Galaxienhaufen zu bilden.

Die Forschungsergebnisse werden in zwei Veröffentlichungen in den Wissenschaftsjournalen “Nature” und “The Astrophysical Journal” präsentiert.
Künstlerische Darstellung der Anordnung von Galaxien in SPT 2349. Solche Zusammenschlüsse von Galaxien wurden mit den ALMA- und APEX-Teleskopen beobachtet und zeigen die Entstehung von Galaxienhaufen, den massereichsten Objekten überhaupt im aktuellen Universum. Bild vergrößern

Künstlerische Darstellung der Anordnung von Galaxien in SPT 2349. Solche Zusammenschlüsse von Galaxien wurden mit den ALMA- und APEX-Teleskopen beobachtet und zeigen die Entstehung von Galaxienhaufen, den massereichsten Objekten überhaupt im aktuellen Universum.

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Das “Atacama Large Millimeter/submillimeter” Array (ALMA) und das “Atacama Pathfinder Experiment” (APEX) haben tief ins Universum geblickt, und damit auch zurück in eine Zeit, als das Universum nur rein Zehntel seines heutigen Alters hatte. Dadurch wurden sie Zeugen des Beginns einer gewaltigen Ansammlung von Materie durch Zusammenstöße von jungen Galaxien mit heftiger Sternentstehung. Die Astronomen hatten bisher angenommen, dass solche Ereignisse ca. 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall stattgefunden hätten. Es war eine große Überraschung, als die neuen Beobachtungen zeigten, dass dies sich bereits viel früher ereignete, als das Universum nur halb so alt war. Aus solchen Galaxiensystemen, so nimmt man an, entstehen die massereichsten Strukturen überhaupt im bekannten Universum, nämlich Galaxienhaufen.

Zwei internationale Forscherteams, angeführt von Tim Miller von der Dalhousie-Universität in Kanada und der Yale-Universität in den USA, sowie Iván Oteo von der Universität von Edinburgh in Großbritannien haben beide Teleskope, ALMA and APEX, dafür eingesetzt, überraschend dichte Konzentrationen von Galaxien nachzuweisen, die zwangläufig miteinander verschmelzen und dadurch die Keimzellen für die Entstehung von gigantischen Galaxienhaufen bilden werden.

Mit dem Blick über 90 % des Wegs im beobachtbaren Universums, hat das erste Team einen entstehenden Galaxienhaufen mit der Bezeichnung SPT 2349-56 untersucht. Das Licht von diesem Objekt wurde ausgestrahlt, als das Universum nur ein Zehntel seines derzeitigen Alters hatte.

Die einzelnen Galaxien in dieser dichten kosmischen Anhäufung und die Konzentration von heftiger Sternentstehung in einem solch eingegrenzten Bereich macht dieses Objekt zur aktivsten Region überhaupt, die jemals im frühen Universum beobachtet wurde. Insgesamt 15.000 Sterne werden dort in einem Jahr neu geboren, im Vergleich zu nur einem Stern, der in unserer Milchstraße jährlich neu entsteht.

Die Wissenschaftler des Oteo-Teams haben durch die Kombination von Beobachtungen mit ALMA und APEX ein ähnliches Megafusions-Objekt gefunden, zusammengesetzt aus zehn staubreichen sternbildenden Galaxien. Sie gaben ihm den Spitznamen “Roter Staubkern”, aufgrund der intensiven roten Farbe der Quelle. 

Die neu entstehenden Galaxienhaufen wurden zunächst als schwache (Radio-)Lichtflecken in Beobachtungen mit dem Südpol-Teleskop und dem Weltraumteleskop “Herschel”entdeckt. Die darauf folgenden Beobachtungen mit APEX und mit ALMA konnten dann zeigen, dass sie eine ungewöhnliche Struktur aufweisen und dass ihre Strahlung wesentlich älter ist als erwartwet – aus einer Zeit nur 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall.

Die neuen ALMA-Beobachtungen mit hoher Auflösung haben schließlich gezeigt, dass die beiden mit APEX und Herschel beobachteten “Lichtflecken” keine Einzelobjekte darstellen, sondern sich aus einmal 14 und einmal 10 sehr massereichen Galaxien zusammensetzen, jede davon mit einem Radius, der dem Abstand zwischen unserer Milchstraße und den benachbarten Magellanischen Wolken entspricht.

Die Gesamtdauer des Sternentstehungsausbruchs in jeder der Galaxien ist kurz im Vergleich zur Zeitskala der Entwicklung zu  einem Galaxienhaufen”, erklärt Axel Weiß vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, der als Ko-autor an beiden Veröffentlichungen beteiligt ist. “Die Tatsache, dass wir so viele Galaxien in beiden Haufen gleichzeitig in dieser Starburst-Phase sehen, deutet entweder auf einen bisher unbekannten Mechanismus,  der die Sternentstehungsaktivität über Hunderttausende von Lichtjahren hinweg anregt, oder aber auf die Existenz von Gasströmen aus dem ursprünglichen kosmischen Netz, die den Gasvorrat in diesen aktiven Galaxien jeweils wieder auffüllen.”

Die neuen Entdeckungen mit ALMA stellen nur die Spitze des Eisbergs dar. Zusätzliche Beobachtungen mit APEX haben schon gezeigt, dass die tatsächliche Anzahl dieser sternbildenden Galaxien sogar dreimal höher sein dürfte. Mit den zur Zeit laufenden Beobachtungen mit dem MUSE-Instrument am ESO-VLT werden ebenso weitere Galaxien identifiziert”, stellt Carlos De Breuck fest, ein Astronom der Europäischen Südsternwarte ESO.

Die momentanen theoretischen und numerischen Modelle lassen darauf schließen, das derart massereiche Galaxienhaufen eine wesentlich längere Entwicklungszeit benötigen sollten. Mit den Beobachtungsdaten von ALMA mit seiner hervorragenden Winkelauflösung und Empfindlichkeit als Input für neue ausgefeilte Computersimulationen sind die Wissenschaftler nun in der Lage, die Entstehung von Galaxienhaufen weniger als anderthalb Milliarden Jahre nach dem Urknall zu erforschen.

Wie diese Ansammlung von Galaxien so schnell gewachsen ist, bleibt ein Rätsel. Das ereignete sich nicht allmählich über Milliarden von Jahren, wie wir Astronomen vielleicht erwartet hätten. Unsere Entdeckung bietet eine hervorragende Gelegenheit, zu untersuchen, wie aus massereichen Galaxien diese gewaltigen Galaxienhaufen entstehen”, schließt Tim Miller, Doktorand an der Yale-Universität und Erstautor der Veröffentlichung in “Nature”.

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Zusammengesetztes Bild mit drei Einblicken in SPT 2349, eine Gruppe wechselwirkender und miteinander verschmelzender Galaxien in großer Entfernung im frühen Universum. Das linke Bild, ein Weitwinkelblick mit dem Südpol-Teleskop (SPT), zeigt nur einen hellen punkt. Das mittlere Bild mit dem “Atacama Pathfinder Experiment” (APEX) zeigt bereits einige Details. Das rechte Bild vom “Atacama Large Millimeter/submillimeter Array” (ALMA) löst die Struktur in 14 miteinander wechselwirkende Galaxien auf, die schließlich einen Galaxienhaufen bilden werden. Bild vergrößern

Zusammengesetztes Bild mit drei Einblicken in SPT 2349, eine Gruppe wechselwirkender und miteinander verschmelzender Galaxien in großer Entfernung im frühen Universum. Das linke Bild, ein Weitwinkelblick mit dem Südpol-Teleskop (SPT), zeigt nur einen hellen punkt. Das mittlere Bild mit dem “Atacama Pathfinder Experiment” (APEX) zeigt bereits einige Details. Das rechte Bild vom “Atacama Large Millimeter/submillimeter Array” (ALMA) löst die Struktur in 14 miteinander wechselwirkende Galaxien auf, die schließlich einen Galaxienhaufen bilden werden.

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Das Atacama Pathfinder Experiment (APEX) ist ein Teleskop von 12 m Durchmesser in 5100 m Höhe über dem Meeresspiegel in der extrem trockenen Chajnantor-Hochebene in der chilenischen Atacama-Wüste. Es arbeitet im Bereich der Millimeter- und vor allem Submillimeterstrahlung, einem bisher noch wenig erforschten Grenzbereich in der Astronomie und erfordert den Einsatz hochentwickelter Empfangssysteme und einen extrem hochgelegenen und trockenen Standort für das Observatorium. APEX ist das größte Submillimeter-Teleskop auf der Südhalbkugel der Erde. Es wird in Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem Onsala Space Observatory und der ESO betrieben. Für den Betrieb von APEX vor Ort in Chajnantor ist die ESO verantwortlich.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) wird in internationaler Partnerschaft von der Europäischen Südsternwarte (ESO), der “U.S. National Science Foundation” (NSF) und den “National Institutes of Natural Sciences” (NINS) in Japan betrieben, gemeinsam mit dem kanadischen NRC, NSC und ASIAA in Taiwan, und KASI (Republik Korea), in Zusammenarbeit mit dem Gastland Chile. ALMA, das zur Zeit größte astronomische Instument weltweit, ist ein Radioteleskop von revolutionärem Design, das sich aus insgesamt 66 hochpräzisen Einzelantennen zusammensetzt. Es befindet sich auf der Chajnantorebene in über 5000 Metern Höhe im nördlichen Chile.

MPIfR Autoren: Axel Weiß ist Ko-autor in beiden Veröffentlichungen, und Maria Strandet, die gerade ihre Promotion in der IMPRS-Doktorandenschule am MPIfR abgeschlossen hat, ist Ko-autorin der Veröffentlichung in “Nature”.

 

 
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