Die meisten heutigen großen Galaxien sind Spiralen, die eine Scheibe darstellen, die eine zentrale Ausbuchtung umgibt. Berühmte Beispiele sind unsere eigene Milchstraße oder die Andromeda-Galaxie. Wann und wie sind diese Spiralgalaxien entstanden? Warum weist die große Mehrheit von ihnen eine massive zentrale Ausbuchtung auf?
Ein internationales Astronomenteam [1] präsentiert neue überzeugende Antworten auf diese grundlegenden Fragen. Dafür stützen sie sich auf einen umfangreichen Datensatz von Beobachtungen von Galaxien, die mit mehreren weltraum- und bodengestützten Teleskopen aufgenommen wurden. Insbesondere nutzten sie über einen Zeitraum von zwei Jahren mehrere Instrumente am Very Large Telescope der ESO.
Ihre Beobachtungen zeigen unter anderem, dass ungefähr die Hälfte der heutigen Sterne im Zeitraum zwischen 8.000 Millionen und 4.000 Millionen Jahren entstanden sind, hauptsächlich in episodischen Ausbrüchen intensiver Sternentstehung in leuchtenden Infrarotgalaxien.
Aus diesen und anderen Beweisen entwickelten die Astronomen ein innovatives Szenario, das als „Spiral Rebuilding“ bezeichnet wird. Sie behaupten, dass die meisten heutigen Spiralgalaxien das Ergebnis eines oder mehrerer Verschmelzungsereignisse sind. Wenn es bestätigt wird, könnte dieses neue Szenario die Art und Weise revolutionieren, wie Astronomen denken, dass sich Galaxien gebildet haben.
Eine Flotte von Instrumenten
Wie und wann sind Galaxien entstanden? Wie und wann sind Sterne in diesen Inseluniversen entstanden? Diese Fragen stellen die heutigen Astronomen noch immer vor große Herausforderungen.
Beobachtungsergebnisse an vorderster Front, die von einem internationalen Team von Astronomen mit einer Flotte von boden- und weltraumgestützten Teleskopen gewonnen wurden [1], geben neue Einblicke in diese grundlegenden Fragen.
Dazu starteten sie eine ambitionierte Langzeitstudie bei verschiedenen Wellenlängen von 195 Galaxien mit einer Rotverschiebung [2] größer als 0,4, also mehr als 4000 Millionen Lichtjahre entfernt. Diese Galaxien wurden mit dem Very Large Telescope der ESO sowie mit dem NASA/ESA Hubble Space Telescope, dem ESA Infrared Space Observatory (ISO) Satelliten und dem NRAO Very Large Array untersucht.
Mit dem Very Large Telescope wurden über einen Zeitraum von zwei Jahren Beobachtungen auf Antu und Kueyen mit den Quasi-Zwillingsinstrumenten FORS1 und FORS2 im sichtbaren und ISAAC im Infraroten durchgeführt. In beiden Fällen war es wichtig, sich auf die einzigartigen Fähigkeiten des VLT zu verlassen, um qualitativ hochwertige Spektren mit der erforderlichen Auflösung zu erhalten.
Eine Flotte von Ergebnissen
Aus ihrem umfangreichen Datenbestand konnten die Astronomen eine Reihe wichtiger Schlussfolgerungen ziehen.
Erstens folgern sie anhand der Nahinfrarot-Leuchtkraft der Galaxien, dass die meisten der von ihnen untersuchten Galaxien zwischen 30.000 und 300.000 Millionen Sonnenmassen in Form von Sternen enthalten. Dies ist ungefähr ein Faktor von 0,2 bis 2 der Masse der Sterne in unserer eigenen Milchstraße.
Zweitens entdeckten sie, dass im Gegensatz zum lokalen Universum, wo sogenannte Luminous Infrared Galaxies (LIRGs; [3]) sehr seltene Objekte sind, bei einer Rotverschiebung von 0,4 auf 1, also vor 4.000 bis 8.000 Millionen Jahren, etwa ein Sechstel der hellen Galaxien waren LIRGs.
Da angenommen wird, dass diese besondere Klasse von Galaxien eine sehr aktive Phase der Sternentstehung durchläuft, mit einer Verdoppelung der Sternmasse in weniger als 1.000 Millionen Jahren, hat die Existenz eines so großen Anteils dieser LIRGs im vergangenen Universum wichtige Konsequenzen für die gesamte Sternentstehungsrate.
Wie François Hammer (Paris Observatory, Frankreich), Leiter des Teams, sagt: „Wir kommen daher zu dem Schluss, dass in der Zeitspanne von etwa 8.000 Millionen bis 4.000 Millionen Jahren Galaxien mittlerer Masse etwa die Hälfte ihrer Gesamtmasse in Sterne. Darüber hinaus muss diese Sternentstehung in sehr intensiven Ausbrüchen stattgefunden haben, als Galaxien riesige Mengen an Infrarotstrahlung aussendeten und als LIRGs erschienen.“
Ein weiteres Ergebnis konnte mit den Spektren des Very Large Telescope gesichert werden: Die Astronomen maßen die chemischen Häufigkeiten in mehreren der beobachteten Galaxien (PR Foto 02a/05). Sie stellen fest, dass Galaxien mit großen Rotverschiebungen eine doppelt so niedrige Sauerstoffhäufigkeit aufweisen als heutige Spiralen. Da es Sterne sind, die in einer Galaxie Sauerstoff produzieren, spricht dies wiederum dafür, dass diese Galaxien im Zeitraum zwischen 8.000 und 4.000 Millionen Jahren aktiv Sterne gebildet haben.
Und da angenommen wird, dass Galaxienkollisionen und -verschmelzungen eine wichtige Rolle beim Auslösen solcher Phasen erhöhter Sternentstehungsaktivität spielen, deuten diese Beobachtungen darauf hin, dass Galaxienverschmelzungen vor weniger als 8.000 Millionen Jahren noch häufig vorkamen.
Spirale Wiederaufbau
Die durch diese Beobachtungen enthüllte Geschichte stimmt mit dem sogenannten „Hierarchical Merging of Galaxies“-Szenario überein, das seit etwa 20 Jahren in der Literatur präsent ist. Nach diesem Modell verschmelzen kleine Galaxien zu größeren. François Hammer weist jedoch darauf hin: „Im aktuellen Szenario wurde normalerweise angenommen, dass die Verschmelzung von Galaxien vor 8.000 Millionen Jahren fast aufgehört hat. Unsere vollständigen Beobachtungen zeigen, dass dies bei weitem nicht der Fall ist. In den folgenden 4.000 Millionen Jahren verschmolzen Galaxien immer noch zu den großen Spiralen, die wir im lokalen Universum beobachten.“
Um all diese Eigenschaften zu berücksichtigen, entwickelten die Astronomen daher ein neues Galaxienentstehungsszenario, das drei Hauptphasen umfasst: ein Fusionsereignis, eine kompakte Galaxiephase und eine Phase des „Wachstums der Scheibe“ (siehe PR Foto 02b/05).
Aufgrund der einzigartigen Aspekte dieses Szenarios, bei dem große Galaxien zuerst durch eine große Kollision zerstört werden, um später als heutige Spiralgalaxie wiedergeboren zu werden, haben die Astronomen ihre Evolutionssequenz logischerweise den 'Spiralgalaxienaufbau' genannt.
Obwohl die Astronomen im Widerspruch zu Standardansichten stehen, die behaupten, dass Galaxienverschmelzungen elliptische statt spiralförmiger Galaxien erzeugen, betonen die Astronomen, dass ihr Szenario mit den beobachteten Anteilen der verschiedenen Galaxientypen übereinstimmt und alle Beobachtungen erklären kann.
Das neue Szenario kann in der Tat die Entstehung von etwa drei Vierteln der heutigen Spiralgalaxien erklären, also derjenigen mit massiver zentraler Ausbuchtung. Dies würde zum Beispiel für die Andromeda-Galaxie gelten, aber nicht für unsere eigene Milchstraße. Es scheint, dass unsere Galaxie in den letzten tausend Millionen Jahren größeren Kollisionen irgendwie entgangen ist.
Weitere Beobachtungen, insbesondere mit dem FLAMES-Instrument auf dem VLT, werden zeigen, ob es sich bei Spiralgalaxien tatsächlich um relativ junge, wiedergeborene Systeme handelt, die aus großen Verschmelzungsereignissen entstanden sind.
Mehr Informationen
Die in dieser Pressemitteilung vorgestellte Forschung wurde in der führenden astronomischen Zeitschrift Astronomy and Astrophysics, vol. 430(1). Das Papier („Haben sich die meisten heutigen Spiralen während der letzten 8 Gyrs gebildet? – Eine Entstehungsgeschichte mit heftigen Episoden, die durch panchromatische Beobachtungen aufgedeckt wurden“ von F. Hammer et al.) ist im PDF-Format auf der A&A-Website verfügbar.
Anmerkungen
[1]: Das Team besteht aus François Hammer und Hector Flores (Observatoire de Paris, Meudon, Frankreich), David Elbaz (CEA Saclay, Frankreich), Xian-Zhong Zheng (Observatoire de Paris, Meudon, Frankreich und Max- Planck Institut für Astronomie, Deutschland), Yan-Chun Liang (Observatoire de Paris, Meudon, Frankreich und National Astronomical Observatories, China) und Catherine Cesarsky (ESO, Garching, Deutschland).
[2]: In der Astronomie bezeichnet die Rotverschiebung den Bruchteil, um den die Linien im Spektrum eines Objekts zu längeren Wellenlängen verschoben werden. Die beobachtete Rotverschiebung einer entfernten Galaxie liefert eine Schätzung ihrer Entfernung. Die im vorliegenden Text angegebenen Entfernungen und Alter basieren auf einem Alter des Universums von 13.700 Millionen Jahren.
[3]: Luminous Infrared Galaxies (LIRGs) sind eine Untergruppe von Galaxien, deren Infrarot-Leuchtkraft mehr als das 100.000-Millionen-fache der Leuchtkraft unserer Sonne beträgt. Sie wurden zuerst als Klasse vom ESA-ISO-Satelliten entdeckt und gelten als Galaxien, die eine verstärkte Sternentstehung erfahren.
Originalquelle: ESO-Pressemitteilung