Seit Jahrzehnten versuchen Astronomen, so weit wie möglich in die Tiefen des Universums zu sehen. Astrophysiker und Kosmologen hoffen, durch die Beobachtung des Kosmos, wie er kurz nach dem Urknall war, alles über die frühe Entstehung des Universums und seine spätere Entwicklung zu erfahren. Dank Instrumenten wie dem Hubble-Weltraumteleskop Astronomen konnten Teile des Universums sehen, die zuvor unzugänglich waren.
Aber selbst der ehrwürdige Hubble ist nicht in der Lage, alles zu sehen, was während des frühen Universums geschah. Mit der kombinierten Leistung einiger der neuesten astronomischen Observatorien aus der ganzen Welt hat ein Team internationaler Astronomen unter der Leitung des Institut für Astronomie beobachtet 39 bisher unentdeckte alte Galaxien , ein Fund, der große Auswirkungen auf die Astronomie und Kosmologie haben könnte.
Das Team hinter der Entdeckung umfasste Mitglieder des Instituts für Astronomie der Universität Tokio, des französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS), der Anhui Normal University in China, der Ludwig-Maximilians-Universität in München, der National Astronomical Observatories of China und der Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) in Taiwan. Ihre Forschung erschien in der Ausgabe vom 7. August von Natur .
Künstlerische Darstellung von von ALMA entdeckten Galaxien, wie sie im sehr frühen, sehr weit entfernten Universum erscheinen. Kredit: NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello
Das „Unsichtbare“ entdecken
Einfach ausgedrückt sind die frühesten Galaxien im Universum bisher unsichtbar geblieben, weil ihr Licht sehr schwach ist und bei langen Wellenlängen vorkommt, die von Hubble nicht nachweisbar sind. Das Team wandte sich daher an die Atacama Large Millimeter/Submillimeter-Array (ALMA), deren Teleskope für die Betrachtung dieser Art von Licht optimiert sind.
Die daraus resultierende Entdeckung war nicht nur beispiellos, sondern die Entdeckung dieser vielen Galaxien dieses Typs widerspricht aktuellen kosmologischen Modellen. Wie Tao Wang, ein Forscher der AISAA und Mitautor der Studie, erklärt :
„Dies ist das erste Mal, dass eine so große Population massereicher Galaxien während der ersten 2 Milliarden Jahre des 13,7 Milliarden Jahre langen Lebens des Universums bestätigt wurde. Diese waren für uns bisher unsichtbar. Dieser Befund widerspricht aktuellen Modellen für diese Periode der kosmischen Evolution und wird dazu beitragen, einige Details hinzuzufügen, die bisher gefehlt haben.“
Diese Galaxien waren zu dieser Zeit die größten, die es gab, aber sie waren immer noch sehr schwer zu entdecken. Ein Großteil des Grundes hat mit dem Ausmaß zu tun, in dem ihr Licht durch die Expansion des Universums gestreckt wurde. In der alltäglichen Astronomie ist dieses Phänomen als Rotverschiebung bekannt, bei der die Ausdehnung des Raums (die Hubble-Konstante) dazu führt, dass die Wellenlänge des Lichts verlängert wird und sie in Richtung des roten Endes des Spektrums verschoben wird.
Auf diese Weise können Astronomen nicht nur feststellen, wie weit ein Objekt entfernt ist, sondern auch, wie dieses Objekt in der Vergangenheit aussah. Aber wenn man sich die allererste Epoche des Universums (vor über 13 Milliarden Jahren) ansieht, dehnt die immense Entfernung die Wellenlänge des sichtbaren Lichts bis zu einem Punkt aus, an dem sie nicht mehr im Bereich des sichtbaren Lichts liegt und infrarot wird.
Das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA hat dieses atemberaubende Infrarotbild des Zentrums der Milchstraße aufgenommen, in dem sich das Schwarze Loch Sagitarrius A befindet. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Ein weiterer Grund dafür, dass diese Galaxien schwer zu erkennen sind, besteht darin, dass größere Galaxien dazu neigen, in Staub eingehüllt zu sein, insbesondere wenn sie sich noch in den frühen Phasen ihrer Entstehung befinden. Dies verdunkelt sie tendenziell mehr als ihre kleineren galaktischen Gegenstücke. Aus diesen Gründen bestand der Verdacht, dass diese Galaxien nicht so alt waren, wie das Team vermutete. Als Wang angegeben :
„Es war schwer, unsere Kollegen davon zu überzeugen, dass diese Galaxien so alt waren, wie wir sie vermutet hatten. Unsere anfänglichen Vermutungen über ihre Existenz kamen von den Infrarotdaten des Spitzer-Weltraumteleskops. Aber ALMA hat scharfe Augen und zeigt Details bei Submillimeterwellenlängen, der besten Wellenlänge, um durch Staub im frühen Universum zu blicken. Trotzdem brauchte es weitere Daten des phantasievoll benannten Very Large Telescope in Chile, um wirklich zu beweisen, dass wir uralte massereiche Galaxien gesehen haben, wo vorher noch keine gesehen wurde.“
Was bedeutet das für die Astronomie?
Da die Entdeckung dieser Galaxien unseren aktuellen kosmologischen Modellen widerspricht, haben die Ergebnisse des Teams natürlich einige bedeutende Auswirkungen auf Astronomen. Als Kotaro Kohno, Professor am Institut für Astronomie und Mitautor der Studie, erklärt :
„Je massereicher eine Galaxie ist, desto massereicher ist das supermassive Schwarze Loch in ihrem Herzen. Die Untersuchung dieser Galaxien und ihrer Entwicklung wird uns also auch mehr über die Entwicklung supermassereicher Schwarzer Löcher sagen“, fügte Kohno hinzu. „Massive Galaxien sind auch eng mit der Verteilung unsichtbarer dunkler Materie verbunden. Dies spielt eine Rolle bei der Gestaltung der Struktur und Verteilung von Galaxien. Theoretische Forscher müssen ihre Theorien jetzt aktualisieren.“
Alte Galaxien aus der Studie sind für ALMA (rechts) sichtbar, aber nicht für Hubble (links). Quelle: Wang (et al.) 2019
Ein weiterer interessanter Fund war die Art und Weise, in der sich diese 39 alten Galaxien von unserer unterscheiden. Zunächst einmal hatten diese Galaxien eine höhere Sternendichte als die Milchstraße heute; Das heißt, wenn unsere Galaxie ähnlich wäre, würden Sternengucker etwas ganz anderes sehen, wenn sie zum Nachthimmel aufblicken.
„Zum einen würde der Nachthimmel viel majestätischer erscheinen. Die größere Sternendichte bedeutet, dass es viel mehr Sterne in der Nähe geben würde, indem sie größer und heller erscheinen“, sagte Wang. „Aber umgekehrt bedeutet die große Staubmenge, dass weiter entfernte Sterne viel weniger sichtbar wären, sodass der Hintergrund dieser hellen nahen Sterne eine riesige dunkle Leere sein könnte.“
Da dies das erste Mal ist, dass eine galaktische Population dieser Art entdeckt wurde, sind Astronomen gespannt, was sie sonst noch finden könnten. Derzeit ist selbst ALMA nicht ausgereift genug, um die chemische Zusammensetzung und die Sternpopulation dieser Galaxien zu untersuchen. Observatorien der nächsten Generation werden jedoch die Entschlossenheit haben, dass Astronomen diese Studien durchführen.
Dazu gehört das James Webb-Weltraumteleskop, dessen Start derzeit für 2021 geplant ist. Bodengestützte Observatorien wie das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das Dreißig-Meter-Teleskop (TMT) und die Riesen-Magellan-Teleskop (GMT) dürften ebenfalls eine entscheidende Rolle spielen.
Es ist eine aufregende Zeit für Astronomen und Kosmologen. Ganz langsam schälen sie eine weitere Schicht des Universums zurück, um zu sehen, welche Geheimnisse darunter lauern!
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