Wie Galaxien ihren Gasnachschub sichern
Spiralarme und Balken treiben Gastransport während der kosmischen Hochphase der Sternentstehung
Untersuchungen der Gruppe für Infrarot- & Submillimeter-Astronomie am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) unter Einsatz von NOEMA und JWST zeigen, dass massive Scheibengalaxien mit Spiralarmen und Balken während des kosmischen Mittags aktiv kaltes Gas nach innen transportierten. Dieser Prozess hielt die Sternentstehung aufrecht, indem er das Gas effizient über die galaktischen Scheiben verteilte, was bisherige Vorstellungen von chaotischen frühen Galaxien in Frage stellt.
Galaxien brauchen einen kontinuierlichen Nachschub an kaltem Gas, um neue Sterne zu bilden. Das galt besonders während des sogenannten „kosmischen Mittags“ vor etwa 8 bis 10 Milliarden Jahren, als Galaxien überall im Universum Sterne in einem weit höheren Tempo bildeten, als heute.
Eine der zentralen Fragen der Galaxienentwicklung lautet daher: Wie war dieses Gas innerhalb der Galaxien verteilt, und wie gelangte es von den äußeren Scheibenbereichen in die Regionen, wo Sterne, Bulges und zentrale Schwarze Löcher wachsen? Zwei neue Studien der NOEMA3D-Durchmusterung, geleitet von der Infrarot- & Submillimeter-Astronomie-Gruppe am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) und Kollaborationspartnern, liefern nun einen der bislang klarsten Einblicke in diesen Prozess.
Mit dem NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA), einem Radiointerferometer in den französischen Alpen, erzielte das Team die bisher tiefsten Millimeterwellen-Beobachtungen des kalten molekularen Gases — nachgewiesen über die CO-Emission — in zehn massereichen, sternbildenden Galaxien bei Rotverschiebungen z ~ 1,1 bis 1,6. Mit Integrationszeiten von typischerweise mehr als 20 Stunden pro Galaxie löst die NOEMA3D-Durchmusterung sowohl die Verteilung als auch die Kinematik dieses Gases auf Kiloparsec-Skalen auf. Diese Beobachtungen wurden mit hochaufgelösten Infrarotbildern des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) kombiniert, die die stellare Struktur derselben Galaxien in bisher unerreichter Detailtiefe sichtbar machen.
Was JWST zeigt, ist für sich genommen bereits bemerkenswert: Viele dieser fernen Systeme sind nicht die chaotischen, durch Verschmelzungen geprägten Objekte, als die frühe Galaxien lange galten. Stattdessen handelt es sich um gut geordnete Scheibengalaxien mit klar erkennbaren Spiralarmen und, in vier von zehn Fällen, Balken. Solche Strukturen galten bei diesen Rotverschiebungen bislang als selten oder gar nicht vorhanden.
Molekulares Gas und Staub über gesamte Galaxienscheibe verteilt
Die erste Studie untersucht die Kinematik des molekularen Gases. Alle zehn Galaxien zeigen eine geordnete Rotation, die mit einem rotierenden Scheibenmodell gut beschrieben werden kann. Doch nach Abzug des bestangepassten Scheibenmodells verbleiben in nahezu jedem System kohärente Geschwindigkeitsresiduen, Gasbewegungen, die sich durch einfache Rotation allein nicht erklären lassen. Diese Residuen erreichen typische Geschwindigkeiten in der Scheibenebene von 50 bis 100 km/s, deutlich größer als vergleichbare nicht-zirkuläre Bewegungen in nahegelegenen Scheibengalaxien. Entscheidend ist, dass sie räumlich mit den nicht-achsensymmetrischen Strukturen in den JWST-Bildern korrelieren: Spiralarmen und Balken. „Zum ersten Mal können wir Spiralarme und Balken direkt mit den Bewegungen von kaltem Gas innerhalb von Galaxien in Verbindung bringen“, sagt Jean-Baptiste Jolly. „Dies liefert überzeugende Beweise dafür, dass diese Strukturen bereits den Gastransport antrieben, als das Universum den Höhepunkt seiner Sternentstehungsaktivität erreichte.“
Spiralarme und Balken sind damit nicht nur ästhetische Merkmale in Galaxienaufnahmen. Sie sind dynamische Strukturen, die Gas aktiv innerhalb der Scheibe umverteilen. Interpretiert man die beobachteten Bewegungen als radiale Einströmungen, so sind die abgeleiteten Gastransportraten oft vergleichbar mit den Sternentstehungsraten der Galaxien, in der Größenordnung von mehreren zehn Sonnenmassen pro Jahr. Solche Strömungen könnten Gas nach innen transportieren, die zentrale Sternentstehung speisen, zum Wachstum von Bulges beitragen und möglicherweise auch Material für zentrale supermassereiche Schwarze Löcher bereitstellen.
Die begleitende Studie untersucht, wo sich das kalte Gas und der Staub tatsächlich befinden. Ein Vergleich der räumlichen Verteilungen von CO-Emission, neutralem Kohlenstoff [C I], Staubkontinuum, Sternen und Sternentstehung in denselben zehn Galaxien zeigt: Molekulares Gas und Staub sind in der Regel über die gesamte galaktische Scheibe ausgedehnt, mit Größen, die in etwa mit denen der Sternkomponente vergleichbar sind. Das steht in deutlichem Kontrast zu kompakten Starburst-Galaxien bei ähnlichen Rotverschiebungen, in denen Staub und Sternentstehung typischerweise in kleinen zentralen Regionen konzentriert sind. Die räumlich aufgelösten Messungen zeigen zudem, dass sowohl der molekulare Gasanteil als auch die Gasverbrauchszeit über die Scheibe hinweg weitgehend konstant bleiben, bis etwa zum Doppelten des effektiven Sternradius. „Dank der hohen Auflösung der NOEMA-Beobachtungen können wir die Reserven an kaltem Gas nachverfolgen, die das Wachstum der Galaxien während des kosmischen Mittags antrieben“, sagt Jianhang Chen. „Wir können nun in beispielloser Detailgenauigkeit erkennen, wie Galaxien über Milliarden von Jahren hinweg die Sternentstehung in ihren Scheiben aufrechterhielten.“
Beide Studien zusammen zeichnen ein konsistentes Bild davon, wie massereiche Scheibengalaxien ihre Sternentstehung während einer entscheidenden Epoche der kosmischen Geschichte aufrechterhalten haben. Gas war über die gesamte Scheibe verteilt; die Sternentstehung verlief bei verschiedenen Radien mit ähnlich hoher Effizienz. Interne Strukturen wie Spiralarme und Balken, boten einen effizienten Mechanismus, um Gas nach innen zu transportieren. Die NOEMA3D-Beobachtungen verbinden damit die großräumigen Gasreservoirs der Galaxien mit den internen dynamischen Prozessen, die ihr Wachstum regulieren.
Die Ergebnisse unterstreichen zudem die Stärke der Kombination von NOEMA und JWST. NOEMA liefert die Kinematik des kalten Gases und Karten der molekularen Gasverteilung; JWST macht die stellaren Strukturen sichtbar, welche die Gasbewegung prägen. Erst durch die Kombination beider Teleskope lässt sich die Verbindung zwischen Morphologie und Gasdynamik direkt beobachten.
Die übergeordnete Bedeutung dieser Befunde ist erheblich. Bei z ~ 1 bis 2 besaßen massereiche sternbildende Galaxien bereits organisierte Scheiben mit Spiralarmen und Balken, die signifikanten Gastransport antreiben konnten. Diese Strukturen spielten wahrscheinlich eine wichtige Rolle dabei, Galaxien auf der sternbildenden Hauptreihe zu halten und den Aufbau von Scheiben, Bulges und Schwarzen Löchern über kosmische Zeiträume zu prägen. Die Befunde stellen das lange vorherrschende Bild in Frage, dass frühe Galaxien überwiegend turbulent und durch Verschmelzungen geprägt waren. Viele dieser Systeme waren bereits reife, gut geordnete Scheibengalaxien — unserer eigenen Milchstraße nicht unähnlich, aber jünger und erheblich aktiver.
