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Originalveröffentlichung

L. J. Tacconi et al.
High molecular gas fractions in normal massive star forming galaxies in the young Universe

Galaktisches Gas steigert die Geburtenrate

Wissenschaftler erklären, weshalb in jungen Galaxien besonders viele Sterne entstanden sind

10. Februar 2010

Sterne entstehen aus gigantischen Gaswolken innerhalb von Galaxien. Die Geburtenrate hat sich aber im Lauf der Zeit verändert. So kamen im jungen Universum deutlich mehr Sterne zur Welt. Jetzt haben Forscher aus dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik zusammen mit Kollegen eine einleuchtende Erklärung dafür gefunden: Normale Galaxien enthielten wenige Milliarden Jahre nach dem Urknall fünf- bis zehnmal mehr Gas als heutige Galaxien - und stellten damit eine größere Menge an Rohstoffen für die Sternentstehung bereit (Nature, 11. Februar 2010).
Zwei Ansichten einer typischen Galaxie, 5,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Links eine Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops im optischen Licht, re Bild vergrößern
Zwei Ansichten einer typischen Galaxie, 5,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Links eine Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops im optischen Licht, rechts die Kombination eines Bildes des IRAM-Interferometers (rot/gelb) mit einem Foto im optischen Bereich (grau). Diese Beobachtungen zeigen, dass die Masse des kalten Gases in der galaktischen Scheibe etwa zehnmal größer ist als in heutigen Galaxien. [weniger]

"Zum ersten Mal war es uns möglich, das kalte molekulare Gas in normalen Galaxien nachzuweisen und die Milchstraßensysteme so abzubilden, wie sie kurz nach dem Urknall für massereiche Galaxienpopulationen typisch waren", sagt Linda Tacconi vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Erstautorin des Artikels in der Zeitschrift Nature.

Die Beobachtungen erlauben einen ersten direkten Blick auf Galaxien - genauer gesagt auf das kalte Gas in diesen Galaxien, nur drei bis fünf Milliarden Jahre nach dem Urknall. Damals haben diese Milchstraßensysteme anscheinend mehr oder weniger kontinuierlich Sterne gebildet, allerdings mit einer mindestens zehnmal höheren Rate als in ähnlich massereichen Galaxien im heutigen Universum.

Die grundlegende Frage lautet nun, ob diese höhere Sternentstehungsrate durch eine größere Menge an kaltem, molekularem Gas - dem Rohstoff für junge Sterne - hervorgerufen wurde. Oder ob die Sternengeburt im jungen Universum einfach viel effizienter verlief.

Seit etwa zehn Jahren entwerfen Astrophysiker ein allgemeines Bild davon, wie sich Galaxien bilden und entwickeln, seit das Universum wenige Milliarden Jahre alt war. Danach sammelte sich unter dem Einfluss der mysteriösen Dunklen Materie abkühlendes Gas, ähnlich wie Regenwasser in Pfützen. Mit der Zeit strömte Gas von diesen "Materiepfützen" zu Protogalaxien; Kollisionen und Verschmelzungen dieser Systeme führten dann nach und nach zum hierarchischen Anwachsen der Galaxienmasse.

Detaillierte Beobachtungen des kalten Gases, seiner Verteilung und Dynamik, sind deshalb von äußerster Wichtigkeit. Denn nur so lassen sich die komplexen Mechanismen verstehen, die dafür sorgten, dass sich diese ersten Protogalaxien zu modernen Galaxien wie unserer Milchstraße entwickelten.

Eine groß angelegte Studie von entfernten, leuchtkräftigen und massereichen Galaxien mit dem IRAM-Interferometer auf dem Plateau du Bure (1) brachte jetzt Licht ins Dunkel: Zum ersten Mal gelang es, den Rohstoff für die Sternentstehung direkt zu beobachten.

Weil die Empfindlichkeit der Messgeräte vor kurzem deutlich verbessert wurde, konnten die Astronomen die Eigenschaften von kaltem Gas anhand einer Spektrallinie des Kohlenstoffmonoxid-Moleküls in normalen, nicht übermäßig leuchtkräftigen Galaxien systematisch vermessen - und zwar zu einer Zeit, das das Weltall nur etwa 40 beziehungsweise 24 Prozent seines jetzigen Alters besaß. Frühere Beobachtungen beschränkten sich meist auf seltene, sehr leuchtstarke Objekte wie etwa verschmelzende Galaxien oder Quasare, also die Kerne von jungen, aktiven Galaxien.

"Wir haben herausgefunden, dass massereiche normale Galaxien bei einer Rotverschiebung von 1,2 und 2,3 etwa fünf- bis zehnmal mehr Gas enthalten, als wir im nahen Universum sehen", sagt Linda Tacconi (2). Diese Galaxien zeigen über lange Zeit eine hohe Sternentstehungsrate. Das heißt: Aus dem Halo aus Dunkler Materie muss kontinuierlich Gas nachströmen - genau so, wie es kürzlich aufgestellte Theorien vorhersagen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Beobachtungen sind die ersten räumlich aufgelösten Bilder der Verteilung und Bewegung des kalten Gases in mehreren Galaxien.

"Die Messungen geben uns entscheidende Hinweise und Randbedingungen für die nächste Generation von theoretischen Modellen, mit denen wir die frühen Phasen der Galaxienentwicklung genauer untersuchen wollen", sagt Andreas Burkert, Experte für Sternentstehung und Galaxienentwicklung am Garchinger Exzellenzcluster Universe. "Letztlich werden uns diese Arbeiten auch dabei helfen, den Ursprung und die Entwicklung unserer Milchstraße zu verstehen."

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(1) Das Interferometer des Radioastronomischen Instituts im Millimeterbereich (IRAM) am Plateau de Bure befindet sich auf einer Höhe von 2600 Metern in den südlichen, französischen Alpen nähe Gap. Das PdBI ist derzeit das leistungsfähigste Millimeter-Interferometer der Welt und das einzige, das die schwache Emissionslinie von CO-Molekülen - dem besten Indikator für kaltes Gas - in weit entfernten Galaxien nachweisen kann. Das Interferometer besteht aus sechs Teleskopen mit je 15 Meter Durchmesser, die alle mit einem extrem empfindlichen Heterodyn-Strahlenmessgerät zum Nachweis von Millimeter-Wellenlängen ausgestattet sind. IRAM wird partnerschaftlich von der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland, INSU/CNRS in Frankreich und IGN in Spanien betrieben.

(2) Die Rotverschiebung ist ein Maß für die Entfernung und damit für das Alter eines Objekts. Hat eine Galaxie etwa eine Rotverschiebung von 2,3, sehen wir sie in einer Epoche, die einem Weltalter von 24 Prozent des heutigen entspricht, also gut drei Milliarden Jahre nach dem Urknall.

 
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