ALMA beobachtet Sternentstehung im frühen Universum

Im frühen Universum waren Galaxien mit Gebieten extremer Sternentstehung etwa tausendmal häufiger als heute. In extrem massereichen und hellen Sternsystemen entstanden aus gewaltigen Mengen Staub und Gas in kurzer Zeit neue Sterne. Dieser Prozess erfolgte viele hundert mal schneller als in normalen Galaxien wie zum Beispiel unserer Milchstraße und wird als „Starburst“, also Sternentstehungsausbruch, bezeichnet. In den aktuellen Ausgaben der Zeitschriften „Nature“ und „Astrophysical Journal“ wurden jetzt drei Artikel zur Beobachtung von 26 Sternenstehungszentren mit ALMA veröffentlicht.

Drei Starburst-Galaxien

„Je weiter so eine Galaxie entfernt ist, desto weiter schauen wir zurück in die Vergangenheit“, erläutert Joaquin Vieira vom California Institute of Technology, Erstautor einer der Veröffentlichungen. „Damit können wir eine Zeitleiste zusammenfügen, die uns zeigt, mit welcher Heftigkeit das Universum im Verlaufe seiner inzwischen fast 14 Milliarden Jahre dauernden Geschichte neue Sterne gebildet hat.“

Mit dem gerade eingeweihten Teleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) untersuchte ein internationales Wissenschaftlerteam einige dieser Galaxien genauer. Die Astronomen waren überrascht, dass viele dieser staubreichen Galaxien mit hoher Sternentstehungsrate weiter entfernt sind als bisher angenommen. Das heißt, die Phasen extremer Sternentstehung fanden früher als gedacht statt, vor etwa zwölf Milliarden Jahren als das Universum kaum zwei Milliarden Jahre alt war – eine Milliarde Jahre früher als bisherige Messungen nahe legten.

Zwei der beobachteten Galaxien gehören sogar zu den ältesten ihrer Art, soweit entfernt, dass die Strahlung, die wir heute beobachten entstand als das Universum nur etwa eine Milliarde Jahre alt war. Sie weisen noch eine weitere Besonderheit auf: in ihnen wurden Wassermoleküle entdeckt. Diese Wassersignaturen sind die ältesten im Universum, die man bisher beobachteten konnte.

Die Wissenschaftler nutzten das einzigartige Teleskop ALMA, um die Signale der 26 Starburst-Galaxien bei einer Wellenlänge von drei Millimetern zu erfassen. Hier befindet sich ein sogenanntes atmosphärisches Fenster, dass Mikrowellenstrahlung zur Erdoberfläche gelangen lässt. Unser Atmosphäre ist nämlich für weite Teile der elektromagnetischen Strahlung undurchlässig, da sie bestimmte Wellenlängen absorbiert. Es gibt jedoch Wellenlängenbereiche, die die Atmosphäre ungehindert passieren, dazu gehören sichtbares Licht und Radiowellen. Im Bereich der Millimeter- und Submillimeternwellen ist die Atmosphäre teilweise durchsichtig. Damit weniger Strahlung durch Wasserdampf absorbiert wird, wurde ALMA fünftausend Meter über dem Meeresspiegel und in der extrem trockenen Atacamawüste aufgebaut.

Die untersuchte Strahlung wird von Gasmolekülen in den Galaxien bei bestimmten charakteristischen Wellenlängen verursacht und gibt so auch Auskunft über vorhandene Gaskomponenten. Während der Milliarden Jahren, die das Signal unterwegs ist, ehe es die Erde erreicht, werden die Wellenlängen durch die Expansion des Universums immer mehr auseinandergezogen. Das heißt, die Wellenlängen werden größer und verschieben sich zu rotem Licht hin: die sogenannte kosmische Rotverschiebung. Durch die Messung der Stärke der Rotverschiebung können die Astronomen berechnen, wie lange die Strahlung unterwegs war, und dadurch jeder Galaxie ihren richtigen Platz in der Geschichte des Universums zuweisen.

„Die Empfindlichkeit von ALMA und der große Wellenlängenbereich, den wir gleichzeitig erfassen können, bedeutet für uns, dass wir für jede Galaxie nur wenige Minuten Messzeit benötigen – das ist einhundert mal schneller als vorher überhaupt möglich“, erklärt Axel Weiß vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, der das Projekt zur Bestimmung der Entfernungen der einzelnen Galaxien geleitet hat.

Für die Messungen wurden nur 16 der 66 ALMA-Antennen genutzt, da die Anlage zu dem Zeitpunkt noch im Aufbau war. Die Astronomen haben sich daher auf die helleren Galaxien konzentriert und dabei auch noch Hilfe von der Natur erhalten: Der Gravitationslinseneffekt, vorhergesagt von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, verzerrt die Abbilder einer fernen Galaxie durch den Einfluss des Schwerefelds einer näher gelegenen Vordergrundgalaxie. Die Vordergrundgalaxie verhält sich dabei wie eine Sammellinse, welche die ferne Galaxie heller und größer erscheinen lässt. Der Gravitationslinseneffekt verstärkt die Helligkeit der untersuchten Galaxien zusätzlich um bis zu zweiundzwanzigmal, sodass sie leichter zu beobachten sind.

„Unsere Studien sind ein hervorragendes Beispiel dafür, wie Astronomen aus aller Welt sich zusammentun, um gemeinsam mit einer hochmodernen Forschungsanlage eine faszinierende Entdeckung zu machen", beschreibt Teammitglied Daniel Marrone von der University of Arizona die Zusammenarbeit.