Unerwartete Chemie enthüllt die Geheimnisse kosmischer Sternenfabriken

Zwei Galaxien im frühen Universum, die äußerst produktive Sternenfabriken enthalten, wurden von einem Wissenschaftlerteam unter der Leitung der Chalmers University of Technology in Schweden untersucht. Mithilfe leistungsstarker Teleskope, die das Licht der Galaxien in einzelne Farben aufspalteten, entdeckten die Wissenschaftler zu ihrer Überraschung Licht aus vielen verschiedenen Molekülen – mehr als je zuvor in solchen Entfernungen. Studien wie diese könnten unser Verständnis vom Leben der aktivsten Galaxien revolutionieren, als das Universum noch jung war, glauben die Forscher.

Als das Universum jung war, unterschieden sich Galaxien stark von den heutigen stattlichen Spiralen, die voller sanft leuchtender Sonnen und farbenfroher Gaswolken sind. Neue Sterne wurden hundertmal schneller geboren als im heutigen Universum.

Das meiste davon war jedoch hinter dicken Staubschichten verborgen, was es für Wissenschaftler bis jetzt zu einer Herausforderung machte, die Geheimnisse dieser Sternenfabriken zu entdecken. Durch die Untersuchung der am weitesten entfernten sichtbaren Galaxien mit leistungsstarken Teleskopen können Astronomen Einblicke in die Art und Weise gewinnen, wie diese Fabriken es geschafft haben, so viele Sterne zu erschaffen.

In einem neuen Studieveröffentlicht in der Zeitschrift Astronomie und Astrophysik, ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des Chalmers-Astronomen Chentao Yang, nutzte die Teleskope von NOEMA (NORthern Extended Millimeter Array) in Frankreich, um mehr darüber herauszufinden, wie es diesen frühen Sternenfabriken gelang, so viele Sterne zu erschaffen. Yang und seine Kollegen haben das Licht von zwei leuchtenden Galaxien im frühen Universum gemessen – eine davon wurde als Quasar eingestuft und beide weisen hohe Sternentstehungsraten auf.

„Wir wussten, dass es sich bei diesen Galaxien um gewaltige Sternenfabriken handelte, vielleicht um die größten, die das Universum je gesehen hat. Um herauszufinden, wie sie funktionieren, haben wir ihr Licht bei Wellenlängen um einen Millimeter gemessen und hofften, neue Hinweise zu sammeln“, sagt Chentao Yang .

Die dramatische Chemie in fernen Galaxien begeistert die Astronomen

Die Messungen erwiesen sich als erfolgreich und übertrafen die Erwartungen der Wissenschaftler. Im Licht, das sie von beiden Galaxien aufzeichneten, identifizierten sie Spuren vieler verschiedener Arten von Molekülen. Tief im Inneren dieser Galaxien wird Licht in vielen verschiedenen Wellenlängen von den Gas- und Staubwolken emittiert, in denen neue Sterne entstehen.

„Es ist eine erstaunliche Farbexplosion in Schattierungen, die das menschliche Auge nicht sehen kann. Aber indem wir unsere Beobachtungen mit unserem Wissen über Physik und Chemie kombinieren, können wir verstehen, was die Farben bedeuten und welche Unterschiede es zwischen verschiedenen Galaxien gibt.“ erklärt Sergio Martín, Astronom an der ESO und am Joint ALMA Observatory in Chile und Mitglied des Forschungsteams.

Durch die Analyse des Spektrums jeder Galaxie – der einzelnen Farben ihres Lichts – konnten die Wissenschaftler 13 Moleküle identifizieren, von denen einige noch nie zuvor in so weit entfernten Galaxien gesehen wurden. Jedes Molekül gibt unterschiedliche Hinweise auf die Temperatur, den Druck und die Dichte im Raum zwischen den Sternen und darüber, wie Sternenlicht, Strahlung und Materie interagieren – und liefert so wichtige neue Informationen über die physikalischen und chemischen Bedingungen in diesen Galaxien.

„Die Interpretation der Signale ist eine Herausforderung. Wir sehen einen Teil des elektromagnetischen Spektrums, der in nahen Galaxien schwer zu beobachten ist. Aber dank der Expansion des Universums wird das Licht von entfernten Galaxien wie diesen zu längeren Wellenlängen verschoben, die wir sehen können.“ mit Radioteleskopen, die im Submillimeterbereich beobachten“, sagt Chentao Yang.

Eher wie eine neonbeleuchtete Stadt als eine Nacht unter den Sternen

Die beiden vom Team untersuchten Galaxien sind so weit entfernt, dass ihr Licht fast 13 Milliarden Jahre braucht, um uns zu erreichen.

„Der Blick auf diese Galaxien gleicht weniger einer Nacht unter den Sternen als vielmehr dem Anblick einer Stadt, die mit Neonlichtern erleuchtet ist“, sagt Susanne Aalto, Astronomin bei Chalmers und Teammitglied.

„Astronomen sind es gewohnt, Bilder von den Sternenfabriken unserer Galaxie zu machen, etwa dem Orionnebel und dem Carinanebel“, erklärt sie.

„In diesen beiden entfernten Galaxien sehen wir stattdessen Sternfabriken, die größer, heller, voller Staub und in vielerlei Hinsicht anders sind. Die Orion- und Carina-Nebel werden durch ultraviolettes Licht heißer, neugeborener Sterne beleuchtet. In diesen beiden.“ In fernen Galaxien kann ultraviolettes Licht die Staubschichten nicht passieren. Ein Großteil der Beleuchtung ist stattdessen der kosmischen Strahlung zu verdanken – hochenergetischen Teilchen, die durch explodierende Sterne oder in der Nähe eines supermassereichen Schwarzen Lochs erzeugt werden können“, sagt Susanne Aalto.

Die Galaxien im frühen Universum können nun ihre Geschichten erzählen

Obwohl Galaxien wie diese beiden selten sind, planen die Wissenschaftler, mehr davon zu untersuchen, und zwar sowohl mit NOEMA als auch mit seinem noch größeren Schwesterteleskop ALMA (dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) in Chile. Beide Teleskope reagieren empfindlich auf Licht mit Wellenlängen um einen Millimeter.

„Unsere Ergebnisse zeigen, wie NOEMA mit seinen Breitbandempfängern und seinem leistungsstarken Korrelatorcomputer neue Möglichkeiten für die Untersuchung extremer Galaxien wie dieser am Nordhimmel eröffnet hat. Von der Südhalbkugel aus werden ALMAs geplante Breitband-Empfindlichkeitsverbesserungen noch aufregendere Perspektiven bieten.“ „Die bemerkenswertesten Galaxien im frühen Universum sind endlich in der Lage, ihre Geschichten durch ihre Moleküle zu erzählen“, sagt Pierre Cox, Astronom am CNRS und an der Sorbonne Université in Frankreich.

Mehr zu den Forschungsergebnissen:

Im interstellaren Raum wurden über hundert verschiedene Moleküle nachgewiesen. In dieser Studie identifizierten die Astronomen Moleküle von Kohlenmonoxid (CO), dem Cyanoradikal (CN), dem Ethinylradikal (CCH), Cyanwasserstoff (HCN), dem Formylkation (HCO+), Isocyanidwasserstoff (HNC) und Kohlenstoffmonosulfid (CS), Wasser (H2O), das Hydroniumion (H3O+), Stickoxid (NO), Diazenylium (N2H+), das Methylidinradikal (CH) und Cyclopropenyliden (c-C3H2). Einige davon (CH, CCH, c-C3H2, N2H+ und H3O+) wurden noch nie zuvor in so großen Entfernungen gesehen.

Die beiden Galaxien in der Studie haben die Katalognummern APM 08279+5255 und NCv1.143. Frühere Studien haben gezeigt, dass sie so weit entfernt sind, dass ihr Licht seit fast 13 Milliarden Jahren auf uns zukommt, was Rotverschiebungen von 3,911 bzw. 3,565 entspricht. Rotverschiebung bedeutet, dass die Ausdehnung des Universums das Licht entfernter Galaxien in längere Wellenlängen streckt, was mit Radioteleskopen beobachtet werden kann.

Trotz ihrer Entfernung leuchten die Galaxien im Radiowellenlängenbereich hell. Ihre Signale werden durch Ansammlungen anderer Galaxien verstärkt, die entlang des Lichtwegs liegen – ein Effekt, der als Gravitationslinseneffekt bekannt ist. Eine der Galaxien, APM 08279+5255, ist ebenfalls ein Quasar, eine Galaxie, deren Zentrum aufgrund der um ein supermassereiches Schwarzes Loch wirbelnden Materie von Radiowellen bis hin zu Röntgenstrahlen hell leuchtet. NCv1.143 könnte auch ein zentrales Schwarzes Loch enthalten.