Stellen Sie sich, wenn Sie so wollen, vor, dass das Universum einst viel schmutziger war als heute. Stellen Sie sich auch vor, dass das, was wir um uns herum sehen, ein relativ sauberes und unverhülltes Universum, das Ergebnis von Milliarden von Jahren von Sternen ist, die sich wie riesige himmlische Roombas verhalten und den Raum um sie herum in Vorbereitung auf unsere Ankunft säubern. Laut einer Reihe kürzlich veröffentlichter Kataloge, die die neuesten Erkenntnisse der ESA Weltraumobservatorium Herschel , diese Beschreibung ist eigentlich ganz passend.
Diese Kataloge stellen die Arbeit eines internationalen Teams von über 100 Astronomen dar, die in den letzten sieben Jahren die Infrarotbilder des Herschel Astrophysical Terahertz Large Area Survey (Herschel-ATLAS). Präsentiert Anfang dieser Woche im Nationales Astronomietreffen in Nottingham enthüllte dieser Katalog, dass das Universum 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall ganz anders aussah als heute.
Um diese Forschung in einen Kontext zu setzen, ist es wichtig, die Bedeutung der Infrarotastronomie zu verstehen. Vor dem Einsatz von Missionen wie Herschel (die 2009 gestartet wurde) konnten Astronomen einen Großteil des von Sternen und Galaxien emittierten Lichts nicht sehen. Da ungefähr die Hälfte dieses Lichts von interstellaren Staubkörnern absorbiert wurde, war die Erforschung der Geburt und des Lebens von Galaxien schwierig.
Aber dank Umfragen wie Herschel ATLAS – sowie NASAs Spitzer Weltraumteleskop und der Weitfeld-Infrarot-Umfrage-Explorer (WISE) – Astronomen konnten diese fehlende Energie erklären. Und was sie gesehen haben (insbesondere aus dieser neuesten Umfrage) war ziemlich bemerkenswert und präsentiert ein Universum, das viel dichter ist als zuvor erwartet.
Künstlerische Darstellung des Herschel-Weltraumteleskops. Bildnachweis: ESA/AOES Medialab/NASA/ESA/STScI
Professor Haley Gomez von der Cardiff University präsentierte diesen Katalog am dritten Tag des National Astronomy Meeting (das vom 27. Juni bis 1. Juli stattfand). Wie sie Universe Today per E-Mail sagte:
„Die Herschel-Durchmusterung ist die größte des Himmels in diesem speziellen Infrarotlicht. Aus diesem Grund sehen wir seltene Objekte, die wir auf einem kleineren Fleckchen Himmel vielleicht nicht sehen würden, aber wir sehen jetzt auch Hunderttausende von staubigen Galaxien, verglichen mit den wenigen Hundert, die wir in früheren Teleskopen gesehen haben. Dies ist also eine massive Verbesserung in Bezug auf das Wissen, welche Arten von Galaxien es gibt. Einige von ihnen sind so mit Staub bedeckt, dass wir sie vielleicht nie mit einem Teleskop für sichtbares Licht gesehen hätten. Aufgrund der beispiellos großen Fläche, die wir bei dieser Herschel-Durchmusterung haben, sehen wir auch eine große Vielfalt an Objekttypen, von nahen staubigen sternbildenden Wolken über nahe staubige Galaxien wie Andromeda bis hin zu Galaxien, die ihr Infrarotlicht mit mehr als 12 Milliarden ausstrahlten vor Jahren. Wir können diese Vermessung auch nutzen, um die Struktur von Galaxien im Universum – dem sogenannten kosmischen Netz – zu verstehen, wie es uns im fernen Infrarot noch nie möglich war.“
Die Bilder, die sie zeigten, gaben allen Anwesenden einen Einblick in die unsichtbaren Sterne und Galaxien, die in den letzten 12 Milliarden Jahren der kosmischen Geschichte existiert haben. Insgesamt wurden bei der Herschel-ATLAS-Umfrage über eine halbe Million Ferninfrarotquellen entdeckt. Viele dieser Quellen waren nahegelegene Galaxien, die unserer eigenen ähneln und mit herkömmlichen Teleskopen nachweisbar sind.
Die anderen waren viel weiter entfernt, ihr Licht brauchte Milliarden von Jahren, um uns zu erreichen, und waren von kosmischen Staubkonzentrationen verdeckt. Die am weitesten entfernten dieser Galaxien waren etwa 12 Milliarden Lichtjahre entfernt, was bedeutet, dass sie so aussahen, wie sie es vor 12 Milliarden Jahren getan hätten.
Herschel fig2smallEine Illustration der zeitlichen Reichweite des Herschel ATLAS und der Art der entdeckten Objekte. Bildnachweis: Herschel-ATLAS/ESA/ALMA/NRAO
Ergo wissen Astronomen heute, dass Sterne und Galaxien vor 12 Milliarden Jahren (also kurz nach dem Urknall) viel staubiger waren als heute. Sie kamen weiter zu dem Schluss, dass die Entwicklung unserer Galaxien seit kurz nach dem Urknall im Wesentlichen eine große Säuberungsmaßnahme war, da die Sterne den Staub, der ihr Licht verdunkelte, allmählich absorbierten und sie so zu dem „sichtbareren“ Ort machten, der sie heute ist.
Die von der Umfrage veröffentlichten Daten umfassen mehrere Karten und zusätzliche Dateien, die in einem von Dr. Elisabetta Valiante und einem Forschungsteam der Universität Cardiff erstellten Artikel mit dem Titel „ The Herschel-ATLAS Data Release 1 Paper I: Maps, Catalogs and Number Counts “. Wie Dr. Valiante Universe Today per E-Mail sagte:
„Gas und Staub sind die Hauptbestandteile von Sternen: Sie kollabieren zu Sternen und werden am Ende ihres Lebens ausgestoßen. Das Interessante, das dank der Herschel-Daten entdeckt wurde, ist, dass die beiden Phänomene nicht im Gleichgewicht sind. Wir wussten, dass dies vor 10 Milliarden Jahren der Fall war, aber wir erwarteten nach den aktuellen Modellen, dass in jüngerer Zeit ein gewisses Gleichgewicht erreicht wurde. Stattdessen war die Staubmenge in Galaxien vor 5 Milliarden Jahren viel größer als die Menge, die wir heute in Galaxien sehen: Das war unerwartet.“
Bis vor kurzem wäre eine solche Vermessung unmöglich gewesen, da viele dieser Infrarotquellen für Astronomen unsichtbar gewesen wären. Der Grund dafür, wie die Untersuchung ergab, war, dass diese Galaxien so staubig waren, dass sie mit konventioneller Optik kaum zu entdecken gewesen wären. Außerdem wäre ihr Licht durch dazwischenliegende Galaxien gravitativ vergrößert worden.
Infrarotbilder (wie das hier vom Spitzer-Weltraumteleskop der NASA aufgenommene) zeigen unzählige Sterne und Galaxien, die im sichtbaren Licht durch kosmischen Staub verdeckt werden. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Der enorme Umfang der Vermessung hat auch dazu geführt, dass zum ersten Mal Veränderungen in Galaxien – relativ jung in der kosmischen Geschichte – untersucht werden können. Die Umfrage zeigte beispielsweise, dass Galaxien selbst vor nur einer Milliarde Jahren, einem kleinen Bruchteil des Alters des Universums, schneller Sterne bildeten und mehr Staub enthielten als heute.
Dr. Nathan Bourne – von der University of Edinburgh – ist der Hauptautor eines anderen weiteren Artikels, der die Kataloge beschreibt. Wie er Universe Today per E-Mail sagte:
„Wir können uns Galaxien als große Recyclingmaschinen vorstellen. Wenn sie sich bilden, akkumulieren sie Gas (hauptsächlich Wasserstoff und Helium, mit Spuren von Lithium und einigen anderen Elementen) aus dem Universum um sie herum und verwandeln es in Sterne. Im Laufe der Zeit pumpen die Sterne dieses Gas zurück in die Galaxie, in das interstellare Medium. Aufgrund der nuklearen Prozesse innerhalb der Sterne wird das Gas jetzt mit Schwerelementen (sogenannten Metallen, obwohl sie sowohl Metalle als auch Nichtmetalle umfassen) angereichert, und einige von ihnen bilden mikroskopisch kleine feste Staubpartikel, als eine Art By -Produkt.
„Aber es bilden sich immer noch Sterne, und die nächsten Generationen von Sternen recyceln dieses interstellare Material, und jetzt, da es schwere Elemente und Staub enthält, sind die Dinge etwas anders, und um die neuen Sterne können sich auch Planeten aus Ansammlungen dieses schweren Materials bilden.“ Material. Wenn Sie sich also das Gesamtbild ansehen, begannen die ersten Galaxien, als sie innerhalb der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall begannen, das Gas um sie herum zu verbrauchen, und dann, während sie aktiv sind, füllen sie ihr interstellares Medium mit Gas auf und Staub, aber am Ende des Lebenszyklus einer Galaxie hat sie all dieses Gas und diesen Staub verbraucht, und man könnte sagen, sie hat sich selbst gereinigt.“
Die Kataloge und Karten des verborgenen Universums sind ein Triumph für das Herschel-Team. Obwohl die letzten Informationen der Herschel-Sternwarte im Jahr 2013 stammen, sind die Karten und Kataloge, die aus ihren Dienstjahren erstellt wurden, für Astronomen unverzichtbar geworden. Sie zeigen nicht nur die verborgene Energie des Universums, sondern legen auch den Grundstein für zukünftige Forschungen.
IR-Bilder des gesamten Himmels, die mit der WISE All-Sky Data Release (oben) aufgenommen wurden, und eine Projektion des IR-Himmels, die mit Bildern der COBE-Sonde erstellt wurde (unten). Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/UCLA (oben), NASA/DIRBE Team/COBE/ (unten)
„Jetzt müssen wir erklären, warum Staub dort ist, wo wir ihn nicht erwartet hatten.“ sagte Valiante. „Und um dies zu erklären, müssen wir unsere Theorien über die Entwicklung des Universums ändern. Unsere Daten stellen eine Herausforderung dar, die wir angenommen, aber noch nicht gemeistert haben!“
„[W]ie verstehen viel mehr darüber, wie sich Galaxien entwickeln“, fügte Bourne hinzu, „darüber, wann sich die meisten Sterne gebildet haben, was mit Gas und Staub passiert, wenn sich Galaxien entwickeln, und wie schnell die Sternentstehungsaktivität im Universum als“ ein Ganzes ist in der zweiten Hälfte der Geschichte des Universums verblasst. Es ist fair zu sagen, dass dieses Verständnis davon abhängt, dass eine ganze Reihe verschiedener Arten von Instrumenten verschiedene Aspekte von Galaxien auf komplementäre Weise untersuchen, aber Herschel hat sicherlich einen großen Teil dieser Bemühungen beigetragen und wird ein bleibendes Erbe hinterlassen.“
Die Sicherung des bleibenden Erbes von Herschel ist eines der Hauptziele der Herschel Extragalaktisches Projekt (HELP) Programm, das von der EU Research Executive Agency beaufsichtigt wird. Andere Projekte, die sie betreuen, sind die Herschel mehrstufige extragalaktische Vermessung (HerMES), das Ende letzten Monats ebenfalls Umfragedaten veröffentlichte. All dies hat die Astronomie nachhaltig geprägt, obwohl Herschel nicht mehr in Betrieb ist. Wie Professor Gomez über die dauerhaften Beiträge des Herschel-Observatoriums sagte:
„Das Herschel-Weltraumobservatorium hat 2013 die Datenerfassung eingestellt, aber unser Verständnis des staubigen Universums steht erst am Anfang mit der Veröffentlichung großer Durchmusterungen und Galaxienkataloge in den letzten Monaten. Wenn die Astronomen erst einmal alle wertvollen Daten durchgesehen haben, wird Herschel schließlich einen Blick auf das Infrarotuniversum geliefert haben, das 1000 Quadratgrad des Himmels bedeckt.“
Die Implikationen dieser Ergebnisse werden wahrscheinlich auch weitreichende Auswirkungen haben, die von Kosmologie und Astronomie reichen und vielleicht etwas Licht in dieses knifflige Fermi-Paradoxon bringen. Könnte es intelligentes Leben sein, das vor Milliarden von Jahren entstanden ist und sich nicht in andere Sternensysteme gewagt hat, weil sie sie nicht sehen konnten? Nur ein Gedanke…
Weiterlesen: Königliche Astronomische Gesellschaft , DIES
