Das Verhalten von Galaxien im frühen Universum erregt viel Aufmerksamkeit von Forschern. Tatsächlich wird alles über das frühe Universum aus offensichtlichen Gründen einer intensiven wissenschaftlichen Prüfung unterzogen. Aber im Gegensatz zu den ersten Sternen des Universums, die alle vor langer Zeit gestorben sind, sind die Galaxien, die wir um uns herum sehen – einschließlich unserer eigenen – seit den frühen Tagen hier.
Aktuelle wissenschaftliche Erkenntnisse sagen, dass die Galaxien in den frühen Tagen des Universums langsam wuchsen und es Milliarden von Jahren brauchten, um zu dem zu werden, was sie heute sind. Aber neue Beobachtungen zeigen, dass dies möglicherweise nicht der Fall ist.
Die neuen Beobachtungen stammen aus einer Umfrage namens ALPIN (das große ALMA-Programm zur Untersuchung von C+ zu frühen Zeiten). ALPINE ist ein Programm, das die Gas- und Staubeigenschaften junger Galaxien während der frühen Wachstumsphase untersucht Rotverschiebungen z = 4-6.
„Zu unserer Überraschung waren viele von ihnen viel reifer, als wir erwartet hatten.“
Andreas Faisst, IPAC bei Caltech
Die Umfrage ergab, dass viele Galaxien zwischen 1 und 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall einen Wachstumsschub erlebten. Während dieses Wachstumsschubs nahmen Galaxien einen erheblichen Teil ihrer Sternmasse und ihres Staubs an. Sie entwickelten sich auch zu den Spiralgalaxien, die wir heute sehen, und nahmen schwere Elemente an.
Bei der ALPINE-Durchmusterung untersuchte ein internationales Astronomenteam 118 dieser frühen Galaxien, die Wachstumsschübe durchmachten.
Andreas Faisst ist einer der an ALPINE beteiligten Forscher. Faisst ist Forscher am Infrared Processing and Analysis Center (IPAC) des California Institute of Technology (Caltech) und außerdem leitender Studienleiter für ALPINE in den USA. In einem Pressemitteilung , sagte er: 'Zu unserer Überraschung waren viele von ihnen viel reifer, als wir erwartet hatten.'
Das ALPINE-Projekt untersucht Galaxien, die zwischen 1 und 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall liegen. In diesem Alter befinden sich Galaxien in einer Übergangsphase zwischen primordial und reif. Die Übergangsphase ist entscheidend für das Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Galaxien. Bildquelle: ALPINE
Das schwere Element des Staubgehalts in einer Galaxie unterscheidet junge Galaxien von reifen Galaxien. Nur reife Galaxien haben höhere Mengen an Staub und Metallen, weil sie ein Nebenprodukt sterbender Sterne sind. Junge Galaxien gibt es noch nicht lange genug, um Generationen von Sternen zu sterben und Staub und Metalle zu erzeugen.
Als die Forscher die 118 jungen Galaxien betrachteten, waren sie überrascht, so viel Staub und so viel Metallizität zu sehen. Ihre Anwesenheit deutete darauf hin, dass es bereits mehr stellare Aktivität gegeben hatte als gedacht. „Wir hätten nicht erwartet, in diesen fernen Galaxien so viel Staub und schwere Elemente zu sehen“, sagte Faisst.
Daniel Schaerer von der Universität Genf ist ein weiterer Wissenschaftler, der an ALPINE beteiligt ist. „Aus früheren Studien haben wir verstanden, dass solche jungen Galaxien staubarm sind“, sagt Schaerer. „Wir stellen jedoch fest, dass etwa 20 Prozent der Galaxien, die sich in dieser frühen Epoche versammelt haben, bereits sehr staubig sind und ein erheblicher Teil des ultravioletten Lichts neugeborener Sterne bereits von diesem Staub verdeckt wird“, fügte er hinzu.
Dies sind zwei der Galaxien im frühen Universum, die ALMA in Radiowellen beobachtete. Die Galaxien gelten als „reifer“ denn als „primordial“, da sie viel Staub (gelb) enthalten. ALMA enthüllte auch das Gas (rot), das verwendet wird, um die verdeckte Sternentstehung und Bewegung in den Galaxien zu messen.
Bildnachweis: B. Saxton NRAO / AUI / NSF, ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), ALPINE-Team.
Eine andere Frage zu den frühen Galaxien ist, wann sie eine Rotation etablierten und wie schnell sich dies auf ihre Struktur auswirkte. Spiralgalaxien wie unsere eigene Milchstraße rotieren, und das erzeugt die Spiralstruktur. Viele der Galaxien in der Studie zeigten Anzeichen von rotationsunterstützten Scheiben und unterschiedlichen Strukturen.
Dies widerspricht den Erwartungen.
Nach allgemein anerkannter Auffassung sollten die frühen Galaxien chaotischer und unordentlicher sein. Häufige galaktische Kollisionen und Verschmelzungen hätten verhindern sollen, dass in einem so jungen universellen Zeitalter so viele Strukturen entstehen. „Wir sehen viele kollidierende Galaxien, aber wir sehen auch, dass einige von ihnen geordnet rotieren, ohne Anzeichen von Kollisionen“, sagte John Silverman vom Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe in Japan.
Künstlerische Animation einer Galaxie im frühen Universum, die sehr staubig ist und die ersten Anzeichen einer drehgelagerten Scheibe zeigt. In diesem Bild steht die rote Farbe für Gas und Blau/Braun für Staub, wie er in Radiowellen mit ALMA zu sehen ist. Im Hintergrund sind viele andere Galaxien zu sehen, basierend auf optischen Daten von VLT und Subaru.
Bildnachweis: B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ESO, NASA/STScI; NAOJ/Subaru
Astronomen haben aus dieser Zeit schon früher entfernte Galaxien beobachtet, wie zum Beispiel MAMBO-9 und die Wolfe-Disk. MAMBO-9 ist sehr staubig und die Wolfsscheibe hat eine rotierende Scheibe, also waren sie Hinweise darauf, dass Galaxien schneller reifen könnten als gedacht. Aber es könnten Ausreißer gewesen sein, und es bedurfte einer größeren Umfrage wie ALPINE, um den Forschern ein klareres Bild zu geben.
Künstlerische Darstellung der Wolfe Disk, einer massiven rotierenden Scheibengalaxie im frühen, staubigen Universum. Die Galaxie wurde ursprünglich entdeckt, als ALMA das Licht eines weiter entfernten Quasars untersuchte (oben links). Bildnachweis: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Aber obwohl ALPINE eine Handvoll dieser Frühblüher identifiziert hat, wissen Astronomen immer noch nicht, wie sie so schnell aufgewachsen sind und warum einige von ihnen in so jungen Jahren rotierende Scheiben haben.
SEELE (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) spielte bei dieser Arbeit eine große Rolle. Es ist ein extrem leistungsstarkes Radioteleskop, und das wird benötigt, um diese fernen Galaxien zu sehen. Während viele dieser Galaxien im optischen und infraroten Licht im Grunde unsichtbar sind, können sie in Millimeter- und Submillimeterstrahlung recht hell leuchten. Während optische und Infrarot die staubigen Regionen, in denen sich Sterne bilden, oder die Bewegung von Gas in diesen Galaxien nicht durchdringen können, kann ALMA dies. Tatsächlich verfehlen optische und Infrarot-Teleskope manchmal ganze Galaxien.
„Mit ALMA haben wir zum ersten Mal einige entfernte Galaxien entdeckt. Wir nennen diese Hubble-Dunkel, da sie selbst mit dem Hubble-Teleskop nicht entdeckt werden konnten“, sagte Lin Yan von Caltech.
Drei der Gerichte, aus denen das Atacama Large Millimeter/Submillimter Array (ALMA) besteht. Bildquelle: H. Calderón – ALMA (ESO/NRAO/NAOJ)
Das Team beabsichtigt, die Stärke von ALMA weiterhin zu nutzen, um zu verstehen, warum diese jungen Galaxien so ausgereift sind. Während ALPINE eine Vermessung war, die 70 Stunden Beobachtungszeit beanspruchte, möchten sie ALMA verwenden, um einzelne Galaxien über längere Zeiträume zu beobachten. „Wir wollen genau sehen, wo sich der Staub befindet und wie sich das Gas bewegt. Wir wollen auch die staubigen Galaxien mit anderen in der gleichen Entfernung vergleichen und herausfinden, ob ihre Umgebung etwas Besonderes ist“, ergänzt Paolo Cassata von der Universität Padua in Italien, ehemals an der Universidad de Valparaíso in Chile.
ALMA kann diese Arbeit natürlich nicht alleine erledigen. ALPINE ist die größte Durchmusterung dieser Art, bei der mehrere Teleskope bei unterschiedlichen Wellenlängen verwendet wurden, um Galaxien im frühen Universum zu untersuchen. Eine ganze Flotte optischer Zielfernrohre wurde verwendet, darunter Hubble, Keck und VLT. Und Spitzers Infrarot-Fähigkeiten wurden auch verwendet. Es ist unmöglich, die Geschichte entfernter Galaxien ohne Beobachtungen über mehrere Wellenlängen zu verstehen.
„Eine so große und komplexe Untersuchung ist nur dank der Zusammenarbeit mehrerer Institute auf der ganzen Welt möglich“, sagte Matthieu Béthermin vom Laboratoire d’Astrophysique de Marseille in Frankreich.
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