Wenn wir verstehen wollen, wie sich das Universum entwickelt, müssen wir verstehen, wie sich seine großen Strukturen bilden und entwickeln. Deshalb untersuchen Astronomen die Galaxienentstehung. Galaxien sind enorme Strukturen aus Sternen, Planeten, Gas, Staub und dunkler Materie, und das Verständnis ihrer Entstehung ist entscheidend für das Verständnis des Universums selbst.
2017 entdeckten Astronomen, die mit ALMA (Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array) arbeiteten, eine alte Galaxie. Diese massive rotierende Scheibengalaxie wurde geboren, als das Universum nur etwa 1,5 Milliarden Jahre alt war. Nach dem am weitesten verbreiteten Verständnis davon, wie Galaxien entstehen und sich entwickeln, sollte es nicht existieren.
Aber da ist es.
Die Galaxie ist als DLA0817g bekannt, aber der Spitzname ist viel leichter zu merken: Wolfes Galaxie, benannt nach dem verstorbenen Astronomen Arthur M. Wolfe . Es ist die älteste rotierende Scheibengalaxie, die Astronomen je gesehen haben. Nur 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall wuchs Wolfes Galaxie auf 70 Milliarden Sonnenmassen an, etwa halb so massiv wie die Milchstraße.
Es gab einige theoretische Beweise dafür, dass diese Art von Galaxie so früh im Universum existiert haben könnte, aber dies ist der erste direkte Beobachtungsbeweis.
Eine neue Studie mit dem Titel „ Eine kalte, massive, rotierende Scheibengalaxie 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall “ präsentiert diese Beobachtungen. Hauptautor der Studie ist Marcel Neeleman vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. Das Papier ist in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Das Universum ist etwa 13,8 Milliarden Jahre alt. Zuerst war es nur ein heißes, strukturloses Plasma aus Elektronen und Protonen, gleichförmig in alle Richtungen. Die Herausforderung für Kosmologen besteht darin, zu erklären, wie sich all diese strukturlose Masse zu Galaxien zusammenfügt.
Das frühe Universum war ein undifferenziertes Plasma, zu heiß, als dass normale Materie zusammenwachsen und Strukturen wie Galaxien bilden könnte. Bildnachweis: Planck/IPAC
Größtenteils dachten Astronomen, dass sich massereiche Galaxien wie unsere Milchstraße über einen langen Zeitraum bildeten, als sich die Dinge abkühlten. Diese Erklärung wird manchmal als „Hot-Modus“-Szenario bezeichnet. Das Hot-Mode-Szenario erklärt die meisten der unordentlichen, chaotischen Galaxien, die Astronomen im frühen Universum finden und durch Verschmelzungen entstanden sind.
Die andere Theorie ist das Szenario der „Kaltmodusakkretion“. Diese Theorie besagt, dass kaltes Gas auf kürzeren Zeitskalen in eine neu entstandene Galaxie geleitet wird, bevor das Universum abkühlt. Große Simulationen wie Glorreiche TNG 50 zeigen, dass rotierende Scheibengalaxien wie die Wolfes-Galaxie früher im Universum auftauchten, als wir dachten. TNG 50 zeigte, dass solche Galaxien in früheren Epochen aus chaotischen, turbulenten Gaswolken hervorgehen können.
Obwohl es immer als Möglichkeit angesehen wurde, gab es keine Beweise dafür. Bis jetzt.
„Während frühere Studien auf die Existenz dieser frühen rotierenden gasreichen Scheibe hindeuteten“ Galaxien , dank ALMA haben wir jetzt eindeutige Beweise dafür, dass sie bereits 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall auftreten“, sagte Erstautor Marcel Neeleman in a Pressemitteilung .
Um zu verstehen, was diese Entdeckung bedeutet, werfen wir einen Blick auf die Dunkle Materie und ihre Rolle.
Dunkle Materie ist das Rückgrat der Struktur des Universums. Es ist wie ein Netzwerk und nimmt die Form von Filamenten und Knoten an, die mehr dunkle Materie enthalten, und Hohlräume, die weniger haben. Es ist für uns unsichtbar und macht etwa 85% der Masse des Universums aus. Die anderen 15% bestehen aus regulärer Materie wie Galaxien, Sternen, Planeten und uns selbst.
Eine Computersimulation der Verteilung der Materie im Universum. Orangene Regionen beherbergen Galaxien; blaue Strukturen sind Gas und dunkle Materie. Bildnachweis: TNG-Kollaboration
In kleinerem Maßstab bildet dunkle Materie klumpenartige Strukturen, die Halos genannt werden. Die reguläre Materie wird durch die Gravitation von der dunklen Materie angezogen und nimmt um diese Halos Form an und bildet Galaxien. Aber Galaxien bestehen aus Sternen, und dafür musste das Universum ausreichend abgekühlt sein, damit sich Sterne bilden konnten. Und mit kühl meinen wir nur 10 Grad über dem absoluten Nullpunkt.
Die Sache ist die, die meisten der frühen Galaxien, die wir sehen können, sind keine rotierenden Scheiben. Sie sind unordentlich und desorganisiert, weil sie durch Fusionen mit anderen Galaxien gewachsen sind. „Die meisten Galaxien, die wir früh im Universum finden, sehen aus wie Zugwracks, weil sie einer konsequenten und oft ‚gewaltsamen‘ Verschmelzung unterzogen wurden“, sagt Neeleman. „Diese heißen Verschmelzungen machen es schwierig, wohlgeordnete, kalte rotierende Scheiben zu bilden, wie wir sie in unserem gegenwärtigen Universum beobachten.“
Eine Simulation von Galaxien während der Ära der Reionisation im frühen Universum. Bildnachweis: M. Alvarez, R. Kaehler und T. AbelBildnachweis: M. Alvarez, R. Kaehler und T. Abel
Das liegt daran, dass diese Verschmelzungen alle Arten von Stoßwellen erzeugen, die Gas komprimieren und erhitzen, was zu seiner Unordnung beiträgt. Und es sollte Milliarden von Jahren dauern, bis all dieses schmutzige Gas abkühlen und eine geordnete, rotierende Scheibenform annehmen kann.
Aber dann ist da noch Wolfes Galaxie. Es ist eine stattliche, kalte, rotierende Scheibengalaxie.
Folgendes ist nach Meinung von Neeleman und anderen Forschern passiert.
Außerhalb der frühen Galaxie gab es bereits abgekühltes Gas; es war nicht der Kompression, den Stoßwellen und der Erwärmung ausgesetzt, der das Gas in der Galaxie ausgesetzt war. Dieses kalte Gas strömte entlang von Filamenten dunkler Materie in die sich bildende Galaxie. Dieses Szenario bedeutet, dass sich rotierende Scheibengalaxien viel früher bilden können als das Szenario „Kollision und Abkühlung“.
Die einzige Möglichkeit zu zeigen, dass das Kaltgas-Szenario real war und kühle rotierende Scheibengalaxien erzeugen könnte, wie in Simulationen wie TNG 50 gezeigt, bestand darin, eine zu finden. Und dafür müssen Sie wissen, wo und wann Sie suchen müssen.
Neeleman und die anderen Forscher verwendeten ALMA und fanden sechs Kandidatengalaxien. Das Licht dieser Galaxien musste etwa 10 Milliarden Jahre zurücklegen, um uns zu erreichen. DLA0817g, oder Wolfes Galaxie, war am hellsten. Es zeigte auch einige Dopplerverschiebungen, die zeigten, dass es sich um eine rotierende Scheibe handelte, groß und stabil.
Die Wolfe Disk, gesehen mit ALMA (rechts – in Rot), VLA (links – in Grün) und dem Hubble-Weltraumteleskop (beide Bilder – Blau). Im Radiolicht untersuchte ALMA die Bewegungen der Galaxie und die Masse von atomarem Gas und Staub, und das VLA maß die Menge der Molekülmasse. Im UV-Licht beobachtete Hubble massereiche Sterne. Das VLA-Bild wird in einer geringeren räumlichen Auflösung als das ALMA-Bild erstellt und sieht daher größer und pixeliger aus. Bildquelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Neeleman; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; NASA/ESA Hubble
Ihre Beobachtungen zeigten, dass es eine Masse von etwa 70 Milliarden Sonnen hatte und etwa 1,5 Milliarden Jahre alt war. Sie hatten ihre Kaltgasgalaxie gefunden.
„Wir glauben, dass die Wolfsscheibe hauptsächlich durch die stetige Ansammlung von kaltem Gas gewachsen ist“, sagte Co-Autor Xavier Prochaska Scheibe.'
Es gibt einen Grund, warum sie es Wolfes Galaxie nennen. Der Astronom Arthur Wolfe war der Doktorvater von drei der Autoren. Und Wolfes Arbeit half dem Team direkt, die Galaxie zu finden.
Wolfe hat lange Zeit damit verbracht, Licht aus der Ferne zu erforschen Quasare . Das Team hinter diesem Papier konnte Wolfes Galaxie finden, indem es das Licht eines Quasars untersuchte, während es durch dazwischenliegende Materie ging. Quasare sind außerordentlich hell und strahlen enorm viel Licht aus. In diesem Fall war es das Licht, das Wolfes Galaxie durchdringt, was es dem Team ermöglichte, die Galaxie als kalte, rotierende Scheibengalaxie zu identifizieren und zu charakterisieren.
Es gibt wahrscheinlich noch viel mehr dieser Wolfe-Galaxien, aber sie sind schwer zu finden. Sie müssen zwischen uns und einem Quasar positioniert werden, um identifiziert zu werden. Und diese glückliche Aneinanderreihung ist mit Sicherheit seltener als bei Wolfe-Galaxien selbst.
Der einzige Schwachpunkt dieser Studie ist die Stichprobengröße von eins. Obwohl die Ergebnisse vielversprechend und sehr interessant sind, müssen Astronomen noch mehr dieser frühen, kalten, rotierenden Scheibengalaxien finden. Sie können astronomische Modelle nicht auf der Grundlage eines Datenpunkts neu schreiben. Ist Wolfes Galaxie repräsentativ für einen Typ? Oder ist es nur eine Art Ausreißer?
Zukünftige Studien werden diese Fragen beantworten müssen.
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