Aus einer Caltech-Pressemitteilung:
Wasser ist wirklich überall. Zwei Astronomenteams, die jeweils von Wissenschaftlern des California Institute of Technology (Caltech) geleitet werden, haben das größte und am weitesten entfernte Wasserreservoir entdeckt, das jemals im Universum entdeckt wurde. Beim Blick aus einer Entfernung von 30 Milliarden Billionen Meilen in einen Quasar – eines der hellsten und gewalttätigsten Objekte im Kosmos – haben die Forscher eine Wasserdampfmasse gefunden, die mindestens 140 Billionen Mal so groß ist wie das gesamte Wasser in den Weltmeeren kombiniert und 100.000-mal massereicher als die Sonne.
Da der Quasar so weit entfernt ist, hat sein Licht 12 Milliarden Jahre gebraucht, um die Erde zu erreichen. Die Beobachtungen zeigen also eine Zeit, in der das Universum gerade einmal 1,6 Milliarden Jahre alt war. „Die Umgebung dieses Quasars ist insofern einzigartig, als sie diese riesige Wassermasse produziert“, sagt Matt Bradford, Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA und Gastmitarbeiter am Caltech. 'Es ist ein weiterer Beweis dafür, dass Wasser das gesamte Universum durchdringt, sogar in den allerersten Zeiten.' Bradford leitet eines von zwei internationalen Teams von Astronomen, die ihre Quasar-Ergebnisse in separaten Artikeln beschrieben haben, die zur Veröffentlichung in den Astrophysical Journal Letters angenommen wurden.
Lesen Sie hier das Papier von Bradford & Team.
Ein Quasar wird von einem riesigen schwarzen Loch angetrieben, das ständig eine umgebende Scheibe aus Gas und Staub verbraucht; Beim Essen spuckt der Quasar riesige Mengen an Energie aus. Beide Astronomengruppen untersuchten einen bestimmten Quasar namens APM 08279+5255, der ein Schwarzes Loch beherbergt, das 20 Milliarden Mal massereicher ist als die Sonne und so viel Energie wie tausend Billionen Sonnen produziert.
Da Astronomen erwarteten, dass bereits im frühen Universum Wasserdampf vorhanden sein würde, ist die Entdeckung von Wasser selbst keine Überraschung, sagt Bradford. In der Milchstraße gibt es Wasserdampf, obwohl die Gesamtmenge 4.000 Mal weniger massiv ist als im Quasar, da der größte Teil des Wassers der Milchstraße in Form von Eis gefroren ist.
Dennoch ist Wasserdampf ein wichtiges Spurengas, das die Natur des Quasars offenbart. In diesem speziellen Quasar verteilt sich der Wasserdampf um das Schwarze Loch in einer gasförmigen Region, die Hunderte von Lichtjahren umfasst (ein Lichtjahr entspricht etwa sechs Billionen Meilen), und seine Anwesenheit weist darauf hin, dass das Gas astronomisch ungewöhnlich warm und dicht ist Standards. Obwohl das Gas kühle –53 Grad Celsius (–63 Grad Fahrenheit) hat und 300 Billionen Mal weniger dicht als die Erdatmosphäre ist, ist es immer noch fünf Mal heißer und 10 bis 100 Mal dichter als das, was für Galaxien wie die Milchstraße typisch ist.
Der Wasserdampf ist nur eine von vielen Arten von Gasen, die den Quasar umgeben, und seine Anwesenheit weist darauf hin, dass der Quasar das Gas sowohl in Röntgen- als auch in Infrarotstrahlung badet. Die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Wasserdampf offenbart Eigenschaften des Gases und wie der Quasar es beeinflusst. Die Analyse des Wasserdampfs zeigt beispielsweise, wie die Strahlung den Rest des Gases erwärmt. Darüber hinaus deuten Messungen des Wasserdampfs und anderer Moleküle wie Kohlenmonoxid darauf hin, dass genug Gas vorhanden ist, um das Schwarze Loch zu speisen, bis es etwa das Sechsfache seiner Größe anwächst. Ob dies passieren wird, sei unklar, sagen die Astronomen, da ein Teil des Gases zu Sternen kondensieren oder aus dem Quasar ausgestoßen werden könnte.
Bradfords Team machte seine Beobachtungen ab 2008 mit einem Instrument namens Z-Spec am Caltech Submillimeter Observatory (CSO), einem 10-Meter-Teleskop in der Nähe des Gipfels des Mauna Kea auf Hawaii. Z-Spec ist ein extrem empfindlicher Spektrograph, der Temperaturen erfordert, die auf 0,06 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Das Instrument misst Licht in einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, das als Millimeterband bezeichnet wird und zwischen Infrarot- und Mikrowellenwellenlängen liegt. Die Entdeckung von Wasser durch die Forscher war nur möglich, weil die spektrale Abdeckung von Z-Spec zehnmal größer ist als die von früheren Spektrometern, die bei diesen Wellenlängen betrieben wurden. Die Astronomen machten Folgebeobachtungen mit dem Combined Array for Research in Millimeter-Wave Astronomy (CARMA), einer Reihe von Radioschüsseln in den Inyo Mountains in Südkalifornien.
Diese Entdeckung unterstreicht die Vorteile der Beobachtung im Millimeter- und Submillimeter-Wellenlängenbereich, sagen die Astronomen. Das Feld hat sich in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten rasant entwickelt, und um das volle Potenzial dieser Forschungsrichtung auszuschöpfen, entwickeln die Astronomen – einschließlich der Studienautoren – jetzt CCAT, ein 25-Meter-Teleskop, das in der Atacama-Wüste gebaut werden soll in Chile. CCAT wird es Astronomen ermöglichen, einige der frühesten Galaxien im Universum zu entdecken. Durch die Messung des Vorhandenseins von Wasser und anderen wichtigen Spurengasen können Astronomen die Zusammensetzung dieser Urgalaxien untersuchen.
Die zweite Gruppe unter der Leitung von Dariusz Lis, Senior Research Associate in Physik am Caltech und stellvertretender Direktor des CSO, nutzte das Plateau de Bure Interferometer in den französischen Alpen, um Wasser zu finden. Im Jahr 2010 suchte das Team von Lis nach Spuren von Fluorwasserstoff im Spektrum von APM 08279+5255, entdeckte jedoch zufällig ein Signal im Spektrum des Quasars, das auf die Anwesenheit von Wasser hinweist. Das Signal hatte eine Frequenz, die der Strahlung entsprach, die emittiert wird, wenn Wasser von einem höheren Energiezustand in einen niedrigeren übergeht. Während das Team von Lis nur ein Signal auf einer einzigen Frequenz fand, ermöglichte die große Bandbreite von Z-Spec Bradford und seinen Kollegen die Entdeckung von Wasseremissionen bei vielen Frequenzen. Diese mehrfachen Wasserübergänge ermöglichten es Bradfords Team, die physikalischen Eigenschaften des Quasarsgases und der Wassermasse zu bestimmen.
Lesen Sie hier das Papier von Lis & Team.