Astronomie

Fernste Galaxie entdeckt

Mit Hilfe einer Gravitationslinse konnten Astronomen jetzt erstmals ein Sternsystem mit zweistelliger Rotverschiebung aufspüren. Es entstand nur 460 Millionen Jahre nach dem Urknall. Damit gelang ein tiefer Blick in die Kinderstube des Universums.

Von Georg Wolschin

Von zwei entgegengesetzten Seiten her versuchen Astronomen derzeit die Frage zu beantworten, wann sich die ersten Galaxien gebildet haben. Einerseits erforschen sie die kosmische Hintergrundstrahlung, die nur etwa 380|000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt wurde. Damals wurde das Universum wegen der Vereinigung von Elektronen und Atomkernen zu neutralen Atomen durchsichtig und erstrahlte bei einer Temperatur von knapp 3000 Kelvin ähnlich ­ wenn auch natürlich viel heller ­ wie eine Glühbirne mit ihrem ebenso heißen Wolframdraht beim Anschalten. Wegen der Expansion des Kosmos verschob sich die Wellenlänge dieser Emission allerdings allmählich in den roten Spektralbereich, während ihre Intensität zugleich stark zurückging. Heute ist nur noch ein schwaches Mikrowellen-Glimmen übrig, dessen Spektrum und räumliche Verteilung die Weltraumsonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) seit kurzem vermisst. Aus den Daten lässt sich indirekt auf winzige Verdichtungen im frühen Kosmos ­ die Keime der Urgalaxien ­ und die Entstehung der ersten Sterne schließen (Spektrum der Wissenschaft 5/2004, S. ).

Andererseits versuchen die Wissenschaftler die frühen Milchstraßensysteme mit erdgebundenen Teleskopen oder Weltraumsatelliten auch direkt zu sehen (Spektrum der Wissenschaft 9/2003, S. ). Doch die allerersten Galaxien sind wegen der Expansion des Weltalls schon so weit von uns entfernt, dass ihr schwaches Licht nur noch mit hochempfindlichen Instrumenten und speziellen Tricks nachzuweisen ist. Außerdem wurde es auf seinem langen Weg durchs All wegen der Raumexpansion gedehnt und seine Wellenlänge wie bei der Hintergrundstrahlung in den roten Bereich des Spektrums oder jenseits davon verschoben. Aus dieser Rotverschiebung erschließen Astronomen, wie weit ein kosmisches Objekt von uns entfernt und wie alt es folglich ist. Ein Wert von drei entspricht beispielsweise einer Streckung der Wellenlänge auf das Vierfache, was einer Laufzeit von 11,6 Milliarden Jahren gleichkommt. Gemäß den neuesten kosmologischen Modellen, bei denen der Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren stattfand, stammt dieses Licht also aus einer Ära, als das Universum 2,1 Milliarden Jahre alt war.

Leider klafft zwischen den Zeiträumen, welche die beiden Untersuchungsmethoden erschließen, noch eine deutliche Lücke. Die kosmische Hintergrundstrahlung macht die Grobstruktur des Universums nach dem Urknall sichtbar. Korreliert man das von WMAP gemessene Spektrum ihrer Temperaturschwankungen mit der Polarisation der Strahlung, so lässt sich zudem darauf schließen, dass etwa 180 Millionen Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne aufflammten - denn ihre Ultraviolett-Strahlung re-ionisierte die interstellare Materie, und polarisierte dadurch den Strahlungshintergrund. Doch über die Zeit danach gab es bisher keinerlei Informationen. Erst rund 800 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten jene Galaxien, deren Licht ­ mit einer Rotverschiebung von etwa sechs ­ sich gerade noch aufspüren ließ.

Jetzt aber konnten Astronomen aus Frankreich, der Schweiz und Amerika die Beobachtungslücke erheblich verkleinern. Hinter dem Galaxienhaufen Abell 1835 entdeckten sie ein Sternsystem, dessen Rotverschiebung mit einem Wert von zehn erstmals zweistellig ist. Demnach muss diese Galaxie namens IR1916 vor mindestens 13,2 Milliarden Jahren entstanden sein ­ nur knapp 500 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das Team um Roser Péllo verwendete für seinen Nachweis das ISAAC-Instrument (Infrared Spectrometer and Array Camera) an einem der vier 8,2-Meter-Spiegel des VLT (Very Large Telescope) der europäischen Südsternwarte ESO in Chile (Astronomy and Astrophysics, Bd. 416, S. L35). Zugleich setzte es gezielt den Galaxienhaufen Abell 1835 als Gravitationslinse ein, die das Licht von leuchtenden Objekten dahinter bis zu hundertfach verstärkt. In seiner Umgebung nahmen sie zunächst mit ISAAC einige tausend Galaxien im nahen Infrarot auf. Dann verglichen sie die Bilder mit so genannten Deep-Field-Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops von derselben Himmelsregion. Dabei sortierten sie all jene Sternsysteme aus, die auch im optischen Spektralbereich zu sehen waren; denn diese hatten eine zu geringe Rotverschiebung und mussten später als 700 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sein. Übrig blieben sechs Galaxien, die als heiße Kandidaten für sehr weit entfernte und damit frühe Sternsysteme gelten konnten ­ eine davon war IR1916.

Um das genaue Alter dieses Objekts zu ermitteln, analysierten die Wissenschaftler sein Licht spektroskopisch. Als Bezugspunkt diente ihnen die so genannte Lyman-Alpha-Emissionslinie des neutralen Wasserstoffs. Sie liegt normalerweise bei 121,6 Nanometern und markiert den Übergang eines Elektrons aus dem ersten angeregten in den Grundzustand. Im Spektrum von IR1916 fand das Team um Péllo diese Linie nach einigen Monaten detaillierter Analyse bei 1337 Nanometern. Ihre Wellenlänge ist somit auf das Elffache gedehnt, was der erwähnten Rotverschiebung von zehn entspricht. Setzt man das Alter des Universums gleich der durchschnittlichen Lebensspanne eines Menschen von achtzig Jahren, dann zeigten die bisherigen Aufnahmen eine vierjährige Person, während auf dem neuen Bild nun ein Zweieinhalbjähriger zu bewundern ist.

Péllo und seinen Mitarbeitern gelang jedoch nicht nur ein simpler Schnappschuss, sie konnten auch weitere Informationen über IR1916 gewinnen. So schätzten sie die Sternbildungsrate ab, indem sie die Strahlung der Galaxie bei unterschiedlichen Wellenlängen und die Leuchtkraft der Lyman-Alpha-Linie analysierten. Der gefundene Wert liegt mit einigen Dutzend Sonnenmassen pro Jahr relativ hoch. Dafür ist die Galaxie selbst noch ziemlich klein: Sie enthält nur etwa ein Zehntausendstel der Masse unserer Milchstraße. Auch das spricht dafür, dass es sich um ein sehr junges Sternsystem handelt ­ vielleicht eines der ersten überhaupt. Diese kleinen frühen Galaxien sind im Laufe der Zeit durch Zusammenstöße und Verschmelzungen schließlich auf eine Größe angewachsen, die den Ausmaßen unserer Milchstraße vergleichbar ist.

Nach derselben Methode wie Péllos Team hat eine andere internationale Astronomengruppe den nahen Galaxienhaufen Abell 2218 als Gravitationslinse genutzt, um mit dem Hubble-Weltraumtelskop eine dahinter liegende sehr ferne Galaxie aufzuspüren. Genauere spektroskopische Messungen mit dem Keck-Teleskop auf dem Mauna Kea (Hawaii) ergaben eine Rotverschiebung von sieben, was einem Alter von 750 Millionen Jahren entspricht. Hochrechnungen zufolge sollte es in dieser frühen Entwicklungsphase des Universums schon mindestens 400 Millionen vergleichbare Objekte gegeben haben. Auf den Trick mit den Gravitationslinsen können die Astronomen künftig aber vielleicht verzichten. Anfang März präsentierten Wissenschaftler des Space Telescope Science Institute in Baltimore (Maryland) hochaufgelöste Bilder des so genannten Hubble Ultra Deep Field. Die Astronomen hatten das Weltraum-Fernrohr auf eine Region im Sternbild Fornax (Ofen) unterhalb des Orion gerichtet und zwei unterschiedliche Kameras über mehrere Tage die an sich dunkle Stelle aufnehmen lassen: die Advanced Camera for Surveys (ACS) und die Near Infrared Camera and Multi-object Spectrometer (Nicmos). Dabei wurden in diesem vermeintlich leeren Raumgebiet etwa 10|000 neue Sternensysteme entdeckt, die teils nur ein Viertel so hell sind wie die lichtschwächsten Objekte auf der früheren Deep-Field-Aufnahme. Einige Dutzend davon könnten das ganz frühe Universum bevölkert haben. Durch Vergleich der optischen Bilder der ACS mit den infraroten von Nicmos identifizierten die Forscher mehrere Galaxien, die vermutlich bereits zwischen 400 und 800 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Das entspräche einer Rotverschiebung bis zwölf. Sichere Aussagen sind jedoch erst mit spektroskopischen Analysen möglich, die noch ausstehen.

Georg Wolschin lehrt an der Universität Heidelberg Theoretische Physik und ist Wissenschaftsjournalist.

Bild 1:

Fernste Galaxie

Die Aufnahme mit dem Infrarot-Instrument ISAAC am VLT zeigt oben den Galaxiencluster Abell 1835, der als Gravitationslinse wirkt und den Nachweis der dahinter liegenden fernen Galaxie IR1916 (im Rechteck) bei einer Rotverschiebung von zehn ermöglicht. Die Bilder unten in verschiedenen Wellenlängenbereichen machen deutlich, dass die Galaxie nur im Infraroten, aber nicht im optischen (ganz links) Spektralbereich erscheint.

Quelle: Fig.1. in R.Péllo et al., Astronomy and Astrophysics Band 416, Seite L35 (2004)) ((auch ESO-PR Photo 05a/04))

((Bild 2))

Im Spektrum der jungen Galaxie tritt die Lyman-Alpha-Linie bei 1,33745 Mikrometern auf, was einer Verschiebung der Wellenlänge gegenüber der normalen Position auf das Elffache entspricht.

Quelle: Fig.5a. in R.Péllo et al., Astronomy and Astrophysics Band 416, Seite L35 (2004))

Siehe Spektrum d. Wissenschaft XY (2004) für den redigierten und illustrierten Artikel.

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