Astronomen entdecken Funken der Sternentstehung über Milliarden von Jahren hinweg

Astronomen haben mithilfe des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA und anderer Teleskope die größte und detaillierteste Studie darüber durchgeführt, was die Sternentstehung in den größten Galaxien des Universums auslöst. Sie waren überrascht, als sie herausfanden, dass sich die Bedingungen für die Sternentstehung in diesen außergewöhnlich massereichen Galaxien in den letzten zehn Milliarden Jahren nicht verändert haben.

„Was hier überrascht, ist, dass es viele Dinge gibt, die die Sternentstehung in den letzten zehn Milliarden Jahren beeinflusst haben könnten“, sagte Michael Calzadilla vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), der die Studie leitete. „Letztendlich hängt der Hauptgrund für die Sternentstehung in diesen riesigen Galaxien jedoch vor allem von einer Sache ab: ob das sie umgebende heiße Gas schnell genug abkühlen kann oder nicht.“

Galaxienhaufen sind die größten Objekte im Universum, die durch die Schwerkraft zusammengehalten werden, und enthalten riesige Mengen an heißem Gas, das im Röntgenlicht sichtbar ist. Die Masse dieses heißen Gases beträgt ein Vielfaches der Gesamtmasse aller Sterne in den Hunderten von Galaxien, die typischerweise in Galaxienhaufen vorkommen.

Calzadilla und seine Kollegen untersuchten die hellste und massereichste Galaxienklasse im Universum, die sogenannten hellsten Haufengalaxien, in den Zentren von 95 Galaxienhaufen. Die ausgewählten Galaxienhaufen stellen selbst eine extreme Stichprobe dar – die massereichsten Haufen in einer großen Untersuchung mit dem South Pole Telescope (SPT) – und liegen zwischen 3,4 und 9,9 Milliarden Lichtjahren von der Erde entfernt.

Das Team fand heraus, dass die Sternentstehung in den von ihnen untersuchten Galaxien ausgelöst wird, wenn das Ausmaß der ungeordneten Bewegung im heißen Gas – ein physikalisches Konzept namens „Entropie“ – unter einen kritischen Schwellenwert fällt. Unterhalb dieser Schwelle kühlt sich das heiße Gas zwangsläufig ab und es bilden sich neue Sterne.

„Es ist beeindruckend zu glauben, dass eine einzige Zahl uns sagt, ob sich in diesen riesigen Galaxien Milliarden von Sternen und Planeten gebildet haben, und zwar zehn Milliarden Jahre zurück“, sagte Co-Autor Michael McDonald, ebenfalls vom MIT.

Während andere Versuche unternommen wurden, die Triebkräfte der Sternentstehung in solch riesigen Galaxien im Laufe der kosmischen Zeit zu identifizieren, ist diese Durchsuchung die erste, die Röntgen- und optische Beobachtungen der Zentren von Haufen über einen so großen Entfernungsbereich hinweg kombiniert. Dies ermöglicht es den Forschern, den für die Sternentstehung erforderlichen Treibstoff – das mit Chandra entdeckte heiße Gas – mit der tatsächlichen Sternentstehung nach dem Abkühlen des Gases in Verbindung zu bringen, wie sie mit optischen Teleskopen über den größten Teil der Geschichte des Universums beobachtet werden konnte.

Das Team nutzte außerdem Radioteleskope, um Materialstrahlen zu untersuchen, die von supermassiven Schwarzen Löchern in diesen Clustern abgefeuert werden. In einem als „Rückkopplung“ bezeichneten Prozess speist das heiße Gas, das sich abkühlt und Sterne bildet, schließlich die Schwarzen Löcher, was zu Jets und anderen Aktivitäten führt, die ihre Umgebung erhitzen und mit Energie versorgen und so eine weitere Abkühlung vorübergehend verhindern. Wenn dem Schwarzen Loch der Treibstoff ausgeht, schalten sich die Jets ab und der Prozess beginnt von neuem.

„Es ist, als hätten wir verschiedene Kapitel für das Buch der Sternentstehung über den größten Teil der Lebenszeit des Universums zusammengestellt“, sagte Co-Autor Brad Benson von der University of Chicago und dem Fermilab in Illinois. „Anstatt in Worten geschrieben zu werden, wird diese Geschichte im Röntgen-, optischen und Radiolicht erzählt.“

Ein unerwarteter Aspekt dieser Studie ist, dass frühere Arbeiten darauf hingewiesen hatten, dass neben der Abkühlung von heißem Gas auch andere Faktoren eine größere Rolle bei der Sternentstehung in der fernen Vergangenheit spielen könnten. Vor zehn Milliarden Jahren, in einer Zeit, die Astronomen als „kosmischen Mittag“ bezeichnen, kam es viel häufiger zu Kollisionen und Verschmelzungen von Galaxien in Clustern, die Sternentstehungsraten waren im Allgemeinen viel höher und die supermassiven Schwarzen Löcher der Galaxie zogen viel schneller Material an.

„Die Art der Sternentstehung, die wir beobachten, ist bemerkenswert konsistent, selbst wenn sie sich dem kosmischen Mittag nähert, wo sie von anderen Prozessen hätte überwältigt werden können“, sagte Co-Autorin Lindsey Bleem vom Argonne National Laboratory in Illinois. „Obwohl das Universum damals ganz anders aussah, ist dies der Auslöser für die Sternentstehung in diesen Galaxien nicht.“

Bei der Untersuchung relativ nahegelegener Sternhaufen haben frühere Forscher auch herausgefunden, dass ein Schwellenwert an Unordnung im heißen Gas erforderlich ist, damit eine Rückkopplung von supermassiven Schwarzen Löchern in Form von Jets auftritt.

Diese neue Studie von Calzadillas Team ergab, dass die Entropieschwelle für Rückkopplung jedoch nicht für Galaxien in weiter entfernten Galaxienhaufen gilt, was bedeuten könnte, dass Galaxienhaufen vor etwa zehn Milliarden Jahren nicht so gut durch die Rückkopplung von Schwarzen Löchern reguliert werden. Das ist plausibel, weil es Zeit braucht, bis das heiße Gas beginnt, sich auf die Zentralgalaxie abzukühlen, und dann noch mehr Zeit, bis das kühle Gas zum supermassereichen Schwarzen Loch der Zentralgalaxie gelangt und sich schließlich Jets bilden und verhindern weitere Abkühlung des Gases.

Es ist jedoch auch möglich, dass Funksignale zu diesem frühen Zeitpunkt keinen eindeutigen Hinweis auf die Aktivität der Jets geben.

Dieses Ergebnis basiert auf Röntgendaten des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA; Radiodaten vom SPT, dem Australia Telescope Compact Array und dem Australian SKA Pathfinder Telescope; Infrarotdaten vom WISE-Satelliten der NASA; und mehrere optische Teleskope. Die hier verwendeten optischen Teleskope sind die Magellan 6,5-m-Teleskope, das Gemini South Telescope, das Blanco 4-m-Teleskop (DECam, MOSAIC-II) und das Swope 1-m-Teleskop. Für dieses Ergebnis wurden insgesamt fast 50 Tage Chandra-Beobachtungszeit aufgewendet.

Caldazilla präsentierte diese Ergebnisse auf dem 243. Treffen der American Astronomical Society in New Orleans. Darüber hinaus ist er der Erstautor einer bei der eingereichten Arbeit Astrophysikalisches Journal auf dieser Arbeit, die ist verfügbar auf dem Preprint-Server arXiv.