Pressemitteilung

Alter Sternenstaub gibt Aufschluss über erste Sterne

Das entferntestes je von ALMA beobachtete Objekt

8. März 2017

Noch nie zuvor haben Astronomen Sauerstoff und Sternenstaub in einer solch entfernten Galaxie wie A2744_YD4 entdeckt. Durch die große Entfernung sehen wir die Galaxie von der Erde, als ob sie gerade erst entstanden wäre – zu einer Zeit, in der das Alter des Universums gerade einmal vier Prozent des heutigen Alters betrug. Diese neuen mit ALMA gewonnenen Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über die Geburt und den gewaltsamen Tod der allerersten Sterne.

Ein internationales Astronomenteam unter der Leitung von Nicolas Laporte vom University College London hat mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) das Objekt A2744_YD4, die jüngste und entfernteste je mit ALMA beobachtete Galaxie, genauer unter die Lupe genommen. Sie waren überrascht angesichts der großen Mengen interstellaren Staubs in der jungen Galaxie – Staub, der sich beim Tod einer früheren Generation an Sternen gebildet hat.

Durch Nachfolgebeobachtungen mit dem Instrument X-shooter am Very Large Telescope der ESO konnte die große Entfernung zu A2744_YD4 bestätigt werden. Da das Licht für den Weg zu uns sehr lange gebraucht hat, blicken wir im Grunde in die Vergangenheit und sehen die Galaxie zu einem Zeitpunkt, als das Universum gerade einmal 600 Millionen Jahre alt war. In dieser Phase haben sich im Universum die ersten Sterne und Galaxien gebildet [1].

„A2744_YD4 ist nicht nur die entfernteste Galaxie, die je mit ALMA beobachtet wurde”, erläutert Nicolas Laporte, „Die Entdeckung so großer Mengen Staub ist auch ein Hinweis darauf, dass bereits sehr früh Supernovae stattgefunden haben.“

Kosmischer Staub besteht hauptsächlich aus Silizium-, Kohlenstoff- und Aluminiumkörnern, die einen Durchmesser von einem millionstel Zentimeter haben. Die chemischen Elemente in diesen Körnern entstehen innerhalb von Sternen und werden beim Tod der Sterne in den Kosmos gestreut. Die spektakulärste Weise, auf die das passieren kann, ist eine Supernova-Explosion, das Schicksal, das allen kurzlebigen, massereichen Sternen am Ende ihres Lebens bevorsteht. Heutzutage ist dieser Staub im Überfluss vorhanden und ein entscheidender Baustein in der Entstehung von Sternen, Planeten und komplexen Molekülen; im frühen Universum – vor dem Tod der letzten  Sterne erster Generation – kam er jedoch äußerst selten und zu Beginn gar nicht vor.

Die Beobachtungen der staubhaltigen Galaxie A2744_YD4 waren möglich, da sie hinter einem massereichen Galaxienhaufen namens Abell 2744 [2] liegt. Durch ein Phänomen, das als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird, wirkt der Haufen wie ein riesiges kosmisches „Teleskop“ und verstärkt das Licht der entfernteren Galaxie A2744_YD4 um das etwa 1,8-Fache, sodass das Astronomenteam weit in das frühe Universum zurückblicken kann.

Im Rahmen der ALMA-Beobachtungen entdeckten sie auch, dass die Galaxie A2247_YD4 durch Emission ionisierten Sauerstoffs leuchtet. Hierbei handelt es sich um die entfernteste, und damit auch früheste, Entdeckung von Sauerstoff im Universum, die den bisherigen Rekord von ALMA aus dem Jahr 2016 übertrifft.

Die Entdeckung von Staub im frühen Universum liefert neue Informationen darüber, wann die ersten heißen Sterne als Supernovae explodierten und das Universum hell erleuchteten. Die Bestimmung des Zeitpunkts der „kosmischen Dämmerung“ gilt als heiliger Gral der modernen Astronomie und kann indirekt durch die Untersuchung frühen interstellaren Staubs gelingen.

Das Team schätzt, dass A2744_YD4 eine Menge an Staub enthält, die dem 6-Millionenfachen der Sonnenmasse entspricht, wohingegen die gesamte stellare Masse der Galaxie – die Summe der Massen aller Sterne – äquivalent zu 2 Milliarden Sonnenmassen ist. Das Team maß auch die Sternentstehungsrate in A2744_YD4 und fand heraus, dass sich Sterne mit einer Rate von 20 Sonnenmassen pro Jahr neu bildeten – in der Milchstraße beträgt dieser Wert eine Sonnenmasse pro Jahr [3].

„Solch eine Rate ist für eine so ferne Galaxie nicht ungewöhnlich, aber sie macht deutlich, wie schnell der Staub in A2744_YD4 entstanden ist“, erklärt Richard Ellis (ESO und University College London), ein Koautor der Studie. „Bemerkenswerterweise beträgt die erforderliche Zeit nur etwa 200 Millionen Jahre – wir beobachten diese Galaxie also kurz nach ihrer Entstehung.“

Das bedeutet, dass die Sternentstehung schätzungsweise 200 Millionen Jahre vor der Phase begann, in der wir die Galaxie heute beobachten. Somit bietet sich für ALMA eine gute Gelegenheit, die Epoche zu untersuchen, in der die ersten Sterne und Galaxien das Universum erleuchtet haben – der früheste Zeitraum, der bisher erforscht wurde. Selbst nach 13 Milliarden Jahren basieren unsere Sonne, unsere Planeten und unsere Existenz auf dieser ersten Generation an Sternen. Wenn wir die Entstehung, das Leben und den Tod der ersten Sterne untersuchen, erforschen wir damit auch unsere eigenen Wurzeln.

„Mit ALMA sind die Erfolgsaussichten hinsichtlich tieferer und umfassenderer Beobachtungen ähnlicher Galaxien zu dieser frühen Zeit sehr vielversprechend“, meint Ellis.

Laporte kommt zu dem Schluss: „Weitere Messungen dieser Art bieten die spannende Möglichkeit, die frühe Sternentstehung und die Bildung schwererer chemischer Elemente noch weiter in das frühe Universum zurückverfolgen zu können.“

Endnoten

[1] Diese Zeit entspricht einer Rotverschiebung von z=8,38 während der Phase der Reionisation.

[2] Abell 2744 ist ein massereiches Objekt, das 3,5 Milliarden Lichtjahre entfernt ist (Rotverschiebung 0,308) und wohl durch die Kollision von vier kleineren Galaxienhaufen entstanden ist. Aufgrund der unterschiedlichen und eigenartigen Phänomene, die durch den gewaltigen Zusammenstoß auftraten, der über einen Zeitraum von etwa 350 Millionen Jahren geschah, bekam es den Spitznamen Pandoras Galaxienhaufen. Die Galaxien tragen nur zu fünf Prozent zur Masse des Galaxienhaufens bei, wohingegen dunkle Materie fünfundsiebzig Prozent des Haufens ausmacht und für den großen gravitativen Einfluss verantwortlich ist, der das Licht der dahinterliegenden Galaxien beugt und verstärkt. Man geht davon aus, dass die restlichen zwanzig Prozent aus heißem Gas bestehen.

[3] Diese Rate bedeutet, dass die gesamte Masse an Sternen, die jedes Jahr entsteht, dem 20-fachen der Sonnenmasse entspricht.

Weitere Informationen

Die hier präsentierten Forschungsergebnisse von Laporte et al. erscheinen demnächst unter dem Titel „Dust in the Reionization Era: ALMA Observations of a z =8.38 Gravitationally-Lensed Galaxy ” in The Astrophysical Journal Letters.

Die beteiligten Wissenschaftler sind N. Laporte (University College London, Großbritannien), R. S. Ellis (University College London, Großbritannien; ESO, Garching, Deutschland), F. Boone (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), Toulouse, Frankreich), F. E. Bauer (Pontificia Universidad Católica de Chile, Instituto de Astrofísica, Santiago, Chile), D. Quénard (Queen Mary University of London, London, Großbritannien), G. Roberts-Borsani (University College London, Großbritannien), R. Pelló (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), Toulouse, Frankreich), I. Pérez-Fournon (Instituto de Astrofísica de Canarias, Teneriffa, Spanien; Universidad de La Laguna, Teneriffa, Spanien) und A. Streblyanska (Instituto de Astrofísica de Canarias, Teneriffa, Spanien; Universidad de La Laguna, Teneriffa, Spanien).

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Von europäischer Seite aus wird ALMA über die Europäische Südsternwarte (ESO) finanziert, in Nordamerika von der National Science Foundation (NSF) der USA in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC) und dem taiwanesischen National Science Council (NSC), und in Ostasien von den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan. Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch 16 Länder: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist einer der Hauptpartner bei ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das European Extremely Large Telescope (E-ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1708.