eso1313de-ch — Pressemitteilung Wissenschaft

ALMA erforscht die Geburtenrate von Sternen im Universum

RekordverdÓ?chtige Ausbeute von weit entfernten Galaxien mit heftiger Sternentstehung

13. MÓ?rz 2013

Neue Beobachtungen mit dem ò??Atacama Large Millimeter/submillimeter Arrayò?? (ALMA) zeigen, dass die heftigsten SternentstehungsausbrÓÌche im Universum bereits wesentlich frÓÌher stattfanden als bislang angenommen. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts sind soeben in einer Reihe von drei Fachartikeln verÓÆffentlicht worden und zeigen unter anderem auch den Nachweis von Wasser in der bis jetzt grÓÆÓ?ten bekannten Entfernung im Kosmos. Dsie Artikel erscheinen am 14. MÓ?rz 2013 in den Fachzeitschriften Nature sowie im Astrophysical Journal. Erstautor einer der VerÓÆffentlichungen ist Axel WeiÓ? vom Bonner Max-Planck-Institut fÓÌr Radioastronomie. Die Forschungsergebnisse stellen eine aufregende Entdeckung mit dem neuen internationalen Observatorium ALMA dar, das am heutigen Tag offiziell erÓÆffnet wird.

Die heftigsten SternentstehungsausbrÓÌche in sehr massereichen, hellen Galaxien sind vermutlich bereits zu einem sehr frÓÌhen Zeitpunkt im Universum aufgetreten. WÓ?hrend eines solchen Ausbruchs, der als ò??Starburstò?? bezeichnet wird, setzen Galaxien mit hoher Geschwindigkeit gewaltige Mengen von kosmischem Gas und Staub in neue Sterne um. Dieser Prozess erfolgt viele hundert mal schneller als in normalen Galaxien wie zum Beispiel unserer MilchstraÓ?e. Ein Blick weit hinaus in die Tiefen des Universums und gleichzeitig auch weit zurÓÌck in dessen Vergangenheit erfasst Galaxien, deren Licht viele Milliarden Jahre unterwegs ist, ehe es die Erde erreicht. Auf diese Weise erhalten die Astronomen Zugang zur stÓÌrmischen Jugendphase des Universums.Òš

ò??Je weiter so eine Galaxie entfernt ist, desto weiter schauen wir zurÓÌck in die Vergangenheitò??, erlÓ?utert Joaquin Vieira vom California Institute of Technology in den USA, der Leiter des Forschungsprojekts und Erstautor der VerÓÆffentlichung in der Fachzeitschrift Nature. ò??Damit kÓÆnnen wir eine Zeitleiste zusammenfÓÌgen, die uns zeigt, mit welcher Heftigkeit das Universum im Verlaufe seiner inzwischen fast 14 Milliarden Jahre dauernden Geschichte neue Sterne gebildet hat.ò??

Das international besetzte Wissenschaftlerteam hatte diese weit entfernten, rÓ?tselhaften Galaxien mit starker Sternentstehung zunÓ?chst mit dem South Pole Telescope (SPT) entdeckt, einem 10-Meter-Radioteleskop der US-amerikanischen National Science Foundation am SÓÌdpol. AnschlieÓ?end hatten die Forscher detaillierte Beobachtungen mit ALMA durchgefÓÌhrt, um die hohe Geburtenrate von Sternen im frÓÌhen Universum eingehend zu erforschen. Die Astronomen waren ÓÌberrascht, als sie herausfanden, dass viele dieser staubreichen Galaxien mit hoher Sternentstehungsrate in noch grÓÆÓ?erer Entfernung stehen als erwartet. Das bedeutet, dass die heftigsten SternentstehungsausbrÓÌche im Durchschnitt vor 12 Milliarden Jahren stattgefunden haben, als das Universum noch keine 2 Milliarden Jahre alt war ò?? eine volle Milliarde Jahre frÓÌher als ursprÓÌnglich angenommen.

Zwei der beobachteten Galaxien sind die am weitesten entfernten Vertreter ihrer Art und tatsÓ?chlich so weit weg, dass die heute von ihnen beobachtete Strahlung ihre Reise begann, als das Universum noch keine Milliarde Jahre alt war. DarÓÌber hinaus wurde in einer dieser rekordverdÓ?chtigen Galaxien WassermolekÓÌle nachgewiesen: das entfernteste Wasser im Universum, das bis dato beobachtet und verÓÆffentlicht wurde.

Die Wissenschaftler haben die einzigartige Empfindlichkeit von ALMA dazu eingesetzt, die Signale von 26 dieser Galaxien bei einer WellenlÓ?nge von 3 Millimetern zu erfassen. Die Strahlung wird von GasmolekÓÌlen in den Galaxien bei ganz bestimmten charakteristischen WellenlÓ?ngen hervorgerufen. WÓ?hrend der Milliarden von Jahren, die das Signal unterwegs ist, ehe es uns hier auf der Erde erreicht, werden die WellenlÓ?ngen durch die Expansion des Universums auseinandergezogen: die sogenannte kosmische Rotverschiebung. Durch die Messung der rotverschobenen WellenlÓ?ngen kÓÆnnen die Astronomen berechnen, wie lange die Strahlung unterwegs war, und dadurch jeder Galaxie ihren richtigen Platz in der Geschichte des Universums zuweisen.

ò??Die Empfindlichkeit von ALMA und der groÓ?e WellenlÓ?ngenbereich, den wir gleichzeitig erfassen kÓÆnnen, bedeutet fÓÌr uns, dass wir fÓÌr jede Galaxie nur wenige Minuten Messzeit benÓÆtigen ò?? das ist einhundert mal schneller als vorher ÓÌberhaupt mÓÆglichò??, erklÓ?rt Axel WeiÓ? vom Bonner Max-Planck-Institut fÓÌr Radioastronomie, der das Projekt zur Bestimmung der Entfernungen der einzelnen Galaxien geleitet hat. ò??In den Zeiten vor ALMA bedeutete so eine Messung einen ziemlich zeitaufwÓ?ndigen Prozess, bei dem Beobachtungsdaten von optischen und von Radioteleskopen miteinander verknÓÌpft werden mussten.ò??

Bei den meisten Galaxien konnte die Entfernung allein ÓÌber die ALMA-Beobachtungen ermittelt werden, in einigen FÓ?llen kombinierte das Team die ALMA-Daten aber noch zusÓ?tzlich mit Messungen von anderen Teleskopen, darunter auch das Atacama Pathfinder Experiment (APEX) und das Very Large Telescope der ESO [1].

FÓÌr diese Studie haben die Astronomen nur einen Teil der Anlage bestehend aus 16 der insgesamt 66 groÓ?en AntennenschÓÌsseln von ALMA genutzt, da das sich 5000 Meter ÓÌber dem Meeresspiegel auf dem abgelegenen Chajnantor-Plateau in den chilenischen Anden befindliche Observatorium zum Zeitpunkt der Beobachtungen noch im Bau war. Sobald ALMA fertiggestellt sein wird, wird es deutlich empfindlicher sein und kann dann noch einmal deutlich schwÓ?chere Galaxien nachweisen. Bislang haben sich die Astronomen auf die helleren Exemplare konzentriert. Dabei haben sie auch Hilfe von der Natur selbst erhalten: Der Gravitationslinseneffekt, vorhergesagt von Einsteins Allgemeiner RelativitÓ?tstheorie, verzerrt die Abbilder einer fernen Galaxie durch den Einfluss des Schwerefelds einer nÓ?her gelegenen Vordergrundgalaxie. Die Vordergrundgalaxie verhÓ?lt sich dabei wie eine Art Linse, welche die ferne Galaxie zudem heller erscheinen lÓ?sst.

Um prÓ?zise nachvollziehen zu kÓÆnnen, wie stark der Gravitationslinseneffekt die Galaxien aufgehellt hat, haben die Wissenschaftler zusÓ?tziche ALMA-Beobachtungen bei WellenlÓ?ngen um die 0,9 Millimeter durchgefÓÌhrt, aus denen besonders scharfe Bilder hervorgegangen sind.

ò??Diese wunderschÓÆnen ALMA-Bilder zeigen uns, wie die Hintergrundgalaxien sich zu LichtbÓÆgen verformen, die die Vordergrundgalaxien umgeben, sogenannte Einsteinringe", erklÓ?rt Yashar Hezaveh von der McGill University im kanadischen Montreal, der die Studie zum Gravitationslinseneffekt geleitet hat. ò??Wir verwenden sozusagen die gigantischen Mengen Dunkler Materie, die die Galaxien ÓÌberall im Universum umgibt, als kosmische Teleskope, die die weiter entfernten Galaxien grÓÆÓ?er und heller erscheinen lassen.ò??

Die Analyse der Verzerrungen hat ergeben, dass einige der fernen Starburstgalaxien bis zu 40 Billionen (40 Millionen Millionen) mal so hell sind, wie unsere Sonne. Hinzu kommt ein VerstÓ?rkungseffekt um einen Faktor von bis zu 22.

ò??Bislang konnten nur wenige Galaxien, bei denen der Gravitationslinseneffekt eine Rolle spielt, bei SubmillimeterwellenlÓ?ngen nachgewiesen werden, aber jetzt haben das SPT und ALMA gleich mehrere Dutzend davon ausfindig gemachtò??, ergÓ?nzt Carlos De Breuck von der ESO, ein Mitglied des Teams. ò??Diese Art von Untersuchungen wurden bisher hauptsÓ?chlich im sichtbaren Licht durchgefÓÌhrt, zum Beispiel mit dem Hubble Space Telescope. Unsere Ergebnisse zeigen, dass ALMA auf diesem Gebiet ebenfalls eine Menge zu leisten vermag.ò??

ò??Unsere Studien sind ein hervorragendes Beispiel dafÓÌr, wie Astronomen aus aller Welt sich zusammentun, um gemeinsam mit einer hochmodernen Fotrschungsanlage eine faszinierende Entdeckung zu machen", schlieÓ?t Teammitglied Daniel Marrone von der University of Arizona in den USA. ò??FÓÌr ALMA ebenso wie fÓÌr die Untersuchung von Starburstgalaxien ist das erst der Anfang. Als nÓ?chstes wollen wir diese Objekte nun noch detaillierter untersuchen, um herauszufinden, wie und warum genau sie mit so immensen Raten Sterne bilden."

Endnoten

[1] Die zusÓ?tzlichen Beobachtungen wurden mit APEX, dem VLT, dem Australia Telescope Compact Array (ATCA) und dem Submillimeter Array (SMA) durchgefÓÌhrt.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Ergebnisse von J. Vieira et al. erscheinen unter dem Titel ò??Dusty starburst galaxies in the early Universe as revealed by gravitational lensingò?? in der Fachzeitschrift Nature. Die Arbeiten zur Messung der Entfernungen der Galaxien von A. Weiss et al. werden in dem Fachartikel ò??ALMA redshifts of millimeter-selected galaxies from the SPT survey: The redshift distribution of dusty star-forming galaxiesò?? im Astrophysical Journal beschrieben. Die Studie zum Gravitationslinseneffekt von Y. Hezaveh et al. erscheint unter dem Titel ò??ALMA observations of strongly lensed dusty star-forming galaxiesò??, ebenfalls im Astrophysical Journal.

Hauptarbeitsgebiete des Max-Planck-Instituts fÓÌr Radioastronomie (MPIfR) sind die Radio- und Infrarotastronomie. Die technologische Entwicklungen im Institut umspannen den gesamten Beobachtungsbereich. Die theoretische Astrophysik ist ein weiteres Arbeitsgebiet. Die Erforschung der Physik von Sternen, Galaxien und des Universums beinhaltet als Schwerpunkte die Sternentstehung, junge stellare Objekte, Sterne in spÓ?ten Entwicklungsstadien, Pulsare, das interstellare Medium der MilchstraÓ?e und externer Galaxien, das galaktische Zentrum und seine Umgebung, Magnetfelder im Universum, Radiogalaxien, Quasare und andere aktive Galaxien, Staub und Gas in kosmologischen Entfernungen, Galaxien in den FrÓÌhphasen des Universums, die Kosmische Strahlung, Hochenergie-Teilchenphysik und die Theorie der Sternentwicklung und aktiver galaktischer Kerne. Hierbei kommen die weltweit grÓÆÓ?ten und wichtigsten Empfangsstationen fÓÌr Radio- und Infrarotsignale aus dem All zum Einsatz. Das Institut betreibt das 100-m-Radioteleskop und die erste internationale Station von LOFAR, dem ò??Low-Frequency Arrayò?? am Standort Effelsberg in der NÓ?he von Bad MÓÌnstereifel.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Von europÓ?ischer Seite aus wird ALMA ÓÌber die EuropÓ?ische SÓÌdsternwarte (ESO) finanziert, in Nordamerika von der National Science Foundation (NSF) der USA in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC) und dem taiwanesischen National Science Council (NSC), und in Ostasien von den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan. Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federfÓÌhrend fÓÌr den europÓ?ischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, fÓÌr den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan fÓÌr den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die ÓÌbergreifende Projektleitung fÓÌr den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Die EuropÓ?ische SÓÌdsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die fÓÌhrende europÓ?ische Organisation fÓÌr astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 15 MitgliedslÓ?nder: Belgien, Brasilien, DÓ?nemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Ó?sterreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte KÓÆnigreich. Die ESO ermÓÆglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfÓ?hige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der FÓÆrderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maÓ?gebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfÓ?higste Observatorium fÓÌr Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope fÓÌr Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das grÓÆÓ?te Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, wÓ?hrend das VLT Survey Telescope (VST) fÓÌr Himmelsdurchmusterungen ausschlieÓ?lich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist der europÓ?ische Partner fÓÌr den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das grÓÆÓ?te astronomische Projekt ÓÌberhaupt. Derzeit entwickelt die ESO ein GroÓ?teleskop mit 39 Metern Durchmesser fÓÌr Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, das einmal das grÓÆÓ?te optische Teleskop der Welt werden wird: das European Extremely Large Telescope (E-ELT).

Die Ó?bersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks fÓÌr astronomische Ó?ffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren LÓ?ndern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Links

• Fachartikel von J. Vieira et al.
• Fachartikel von A. Weiss et al. ÓÌber die Bestimmung der Entfernungen der Galaxien
• Fachartikel von Y. Hezaveh et al. ÓÌber die Untersuchung des Gravitationslinseneffekts
• Weitere Informationen ber ALMA bei der ESO
• Das Joint ALMA Observatory

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Dies ist eine Ó?bersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1313.