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Frühes Universum : Die Neuen im galaktischen Stammbaum

Das aus 66 Einzelteleskopen bestehende Alma-Interferometer in Chile liefert empfindliche und detailreiche Beobachtungen des frühen Universums. Bild: Y. Beletsky (LCO)/ESO

Wer waren die frühen Vorfahren späterer Galaxien? Beobachtungen mit dem Alma-Observatorium konnten nun eine neue Population massereicher Galaxien im jungen Universum nachweisen.

          Die Frage nach der eigenen Geschichte, nach den in die vertraute Gegenwart mündenden historischen Entwicklungslinien, ist im Allgemeinen umso schwerer zu beantworten, je weiter das Interesse in die Vergangenheit zurückreicht. In der Astrophysik ist das nicht anders, auch wenn das Verständnis der kosmischen Geschichte von einem ganz grundlegenden Vorteil profitiert: Die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit erlaubt den direkten Blick in die Vergangenheit, da Signale, die in der Frühzeit des Universums in entlegenen kosmischen Regionen ausgesandt wurden, uns heute erst erreichen.

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Das All ist für uns also zu verschiedenen Zeitpunkten sichtbar, je weiter wir schauen. Daraus ergeben sich aber zwei neue Herausforderungen: Die Phänomene, die zu verschiedenen kosmischen Zeiten beobachtet werden, müssen in einer gemeinsamen Entwicklungsgeschichte zueinander in Beziehung gesetzt werden. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass entfernte kosmische Objekte schwieriger und mit geringerer Detailschärfe beobachtet werden können als nahe. Dazu trägt auch die kosmologische Rotverschiebung des Lichts bei, die Tatsache, dass das Licht auf dem Weg zu uns durch die fortwährende Expansion des Universums gerötet wird – es also bei uns mit längeren Wellenlängen ankommt, als es ausgesendet wurde.

          Vor diesem Hintergrund stellt sich nicht selten die Frage, wie vollständig Beobachtungen des frühen Universums sind, ob also nicht vielleicht Phänomene und Prozesse übersehen wurden, die uns weitere Puzzlesteine in der Rekonstruktion der kosmischen Geschichte liefern können. Einer internationalen Gruppe von Astronomen ist es nun tatsächlich gelungen, eine neue Gruppe früher Galaxien zu identifizieren, die in bisherigen Suchen weitgehend unentdeckt geblieben sind, wie in „Nature“ berichtet wird. Völlig überraschend kam diese Entdeckung allerdings nicht, denn tatsächlich konnte man bereits in frühen Epochen massereiche elliptische Galaxien nachweisen, für deren Vorgänger es bislang keine rechten Kandidaten gab.

          Das Licht früher Galaxien

          Um Galaxien bei hoher Rotverschiebung, also im frühen Universum, nachzuweisen, nutzt man die besondere Gestalt ihrer Spektren: Licht, das mindestens so viel Energie besitzt, dass es neutralen Wasserstoff zu ionisieren vermag, wird beispielsweise vom reichlich vorhandenen neutralen Wasserstoffgas der Galaxie absorbiert. Im Spektrum kommt es daher bei der sogenannten Lyman-Alpha-Grenze im ultravioletten Spektralbereich (91,2 Nanometer) zu einem Sprung: Licht mit längeren Wellenlängen kann sich ausbreiten, Licht mit kürzeren Wellenlängen wird vom Gas geschluckt. Wenn man eine entfernte Galaxie also mit zwei verschiedenen Filtern beobachtet, deren Wellenlängen die Lyman-Alpha-Grenze einrahmen, ist die Galaxie im langwelligen Filter sichtbar, im kurzwelligen unsichtbar. Dieser Sprung wird durch die kosmologische Rotverschiebung aus dem Ultravioletten ins Optische verschoben. Viele und insbesondere sehr staubige Galaxien absorbieren Licht aber sogar bei noch längeren Wellenlängen als der Lyman-Alpha-Grenze: Sie sind selbst noch bei optischen Wellenlängen unsichtbar. Ihr Nachweis erfordert daher Beobachtungen im schwerer zugänglichen infraroten Spektralbereich.

          Galaxien, die auf Aufnahmen des Hubble Weltraumteleskops nicht sichtbar sind (links), können mit dem Alma-Interferometer (rechts) beobachtet werden.

          Nach genau solchen Galaxien suchten nun die Astronomen um Tao Wang von der Universität Tokio: Sie wählten Objekte aus, die bei Nahinfrarot-Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops unsichtbar, aber bei Beobachtungen mit dem Spitzer-Weltraumteleskop im mittleren Infrarot hell sichtbar waren. Diese Galaxien waren schon früher als Kandidaten für junge massereiche Galaxien gehandelt worden. Die schlechte Winkelauflösung des Spitzer-Teleskops und der Mangel an weitergehenden Informationen hatten diese Deutung aber unsicher erscheinen lassen.

          Staubig, massereich und hoch rotverschoben

          Die Gruppe von Forschern beobachtete diese Galaxien daher bei noch längeren Wellenlängen mit deutlich höherer Winkelauflösung und Empfindlichkeit. Dafür nutzten sie das chilenische Alma-Observatorium im Submillimeter-Bereich des Spektrums. Die entsprechenden Daten lieferten nun eine genauere Charakterisierung dieser Galaxien: 39 der 63 beobachteten Objekte sind demnach staubige massereiche Galaxien bei hoher Rotverschiebung – entsprechend einem Alter des Universums von bis zu zwei Milliarden Jahren –, die pro Jahr Sterne mit einer Gesamtmasse von rund 200 Sonnenmassen bilden. Wie die Autoren betonen, stellen sie mit einer deutlich größeren Häufigkeit als derjenigen der schon ausführlicher studierten und in derselben kosmischen Epoche beobachtbaren Starburst-Galaxien die galaktische Kernpopulation massiver Galaxien dar.

          Die Astronomen vermuten, dass diese neue Population von Galaxien Vorläufer der größten heutigen Galaxien in massereichen Gruppen und Haufen sind. Die bisherige Diskrepanz zwischen der geringen Häufigkeit von Galaxien im sehr jungen Universum und dem daraufhin schnellen Auftauchen massereicher Galaxien kann durch diese Entdeckung abgemildert werden. Allerdings steht der Fund bislang noch im Widerspruch zu Modellvorhersagen der kosmischen Galaxienentstehung und -entwicklung. Wie so oft erhoffen sich die Astronomen hier von zukünftigen Beobachtungen und einer dann möglichen besseren Charakterisierung der in den Galaxien ablaufenden physikalischen Prozesse weitere Aufschlüsse für die Frage, wie die uns umgebenden Galaxien so wurden, wie wir sie heute sehen.

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