Erfassung des Beginns der Galaxienrotation im frühen Universum

Da Teleskope immer fortschrittlicher und leistungsfähiger wurden, konnten Astronomen immer weiter entfernte Galaxien entdecken. Dies sind einige der frühesten Galaxien, die sich in unserem Universum bildeten und die begannen, sich von uns zu entfernen, als sich das Universum ausdehnte. Je größer die Entfernung, desto schneller scheint sich eine Galaxie von uns zu entfernen. Interessanterweise können wir abschätzen, wie schnell sich eine Galaxie bewegt und wann sie entstanden ist, basierend darauf, wie „rotverschoben“ ihre Emission erscheint. Dies ähnelt einem als Doppler-Effekt bezeichneten Phänomen, bei dem Objekte, die sich von einem Beobachter entfernen, Licht aussenden, das zu längeren Wellenlängen hin verschoben erscheint (daher der Begriff „Rotverschiebung“).

Das Teleskop Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) mitten in der Atacama-Wüste in Chile eignet sich besonders gut, um solche Rotverschiebungen in Galaxienemissionen zu beobachten. Kürzlich hat ein Team internationaler Forscher, darunter Professor Akio Inoue und Doktorand Tsuyoshi Tokuoka von der Waseda University, Japan; Dr. Takuya Hashimoto von der Universität Tsukuba, Japan; Professor Richard S. Ellis am University College London; und Dr. Nicolas Laporte, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of Cambridge, Großbritannien, hat rotverschobene Emissionen einer fernen Galaxie, MACS1149-JD1 (im Folgenden JD1), beobachtet, was sie zu einigen interessanten Schlussfolgerungen geführt hat. „Neben dem Auffinden hochrotverschobener, nämlich sehr entfernter Galaxien, liefert die Untersuchung ihrer inneren Bewegung von Gas und Sternen eine Motivation, den Prozess der Galaxienbildung im frühestmöglichen Universum zu verstehen“, erklärt Ellis. Die Ergebnisse ihrer Studie wurden in veröffentlicht Die Briefe des astrophysikalischen Journals.

Die Galaxienbildung beginnt mit der Ansammlung von Gas und setzt sich mit der Bildung von Sternen aus diesem Gas fort. Mit der Zeit schreitet die Sternentstehung vom Zentrum nach außen fort, eine galaktische Scheibe entwickelt sich und die Galaxie nimmt eine bestimmte Form an. Während die Sternentstehung weitergeht, bilden sich neuere Sterne in der rotierenden Scheibe, während ältere Sterne im zentralen Teil verbleiben. Durch die Untersuchung des Alters der stellaren Objekte und der Bewegung der Sterne und des Gases in der Galaxie ist es möglich, das Entwicklungsstadium der Galaxie zu bestimmen.

Die Astronomen führten eine Reihe von Beobachtungen über einen Zeitraum von zwei Monaten durch und maßen erfolgreich kleine Unterschiede in der „Rotverschiebung“ von Position zu Position innerhalb der Galaxie und stellten fest, dass JD1 das Kriterium für eine von Rotation dominierte Galaxie erfüllte. Als nächstes modellierten sie die Galaxie als rotierende Scheibe und stellten fest, dass sie die Beobachtungen sehr gut reproduzierte. Die berechnete Rotationsgeschwindigkeit betrug etwa 50 Kilometer pro Sekunde, was mit der Rotationsgeschwindigkeit der Milchstraßenscheibe von 220 Kilometern pro Sekunde verglichen wurde. Das Team maß auch den Durchmesser von JD1 mit nur 3.000 Lichtjahren, viel kleiner als der der Milchstraße mit 100.000 Lichtjahren Durchmesser.

Die Bedeutung ihres Ergebnisses besteht darin, dass JD1 bei weitem die am weitesten entfernte und daher die früheste bisher gefundene Quelle mit einer rotierenden Scheibe aus Gas und Sternen ist. Zusammen mit ähnlichen Messungen näherer Systeme in der Forschungsliteratur hat dies dem Team ermöglicht, die allmähliche Entwicklung rotierender Galaxien über mehr als 95 % unserer kosmischen Geschichte zu beschreiben.

Darüber hinaus stimmte die anhand der Rotationsgeschwindigkeit der Galaxie geschätzte Masse mit der zuvor anhand der spektralen Signatur der Galaxie geschätzten Sternmasse überein und stammte überwiegend von der Masse „reifer“ Sterne, die vor etwa 300 Millionen Jahren entstanden sind. „Das zeigt, dass sich die Sternpopulation in JD1 in einer noch früheren Epoche des kosmischen Zeitalters gebildet hat“, sagt Hashimoto.

„Die Rotationsgeschwindigkeit von JD1 ist viel langsamer als die, die in Galaxien späterer Epochen und in unserer Galaxie gefunden wurde, und es ist wahrscheinlich, dass sich JD1 in einem Anfangsstadium der Entwicklung einer Rotationsbewegung befindet“, sagt Inoue. Mit dem kürzlich gestarteten James-Webb-Weltraumteleskop planen die Astronomen nun, die Standorte junger und älterer Sterne in der Galaxie zu identifizieren, um ihr Szenario der Galaxienentstehung zu überprüfen und zu aktualisieren.

Neue Entdeckungen sind sicherlich am Horizont.