Frühe Galaxien (Originalartikel vom 03.01.2020)

Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

(Originalartikel unter www.cfa.harvard.edu)

Ein Bild vom Himmel mit einer seltenen, großen, “staubreichen sternbildenden Galaxie”, die aus einer Zeit von ungefähr einer Milliarde Jahre nach dem Urknall stammt. Die Ergebnisse des Submillimeter Array bei 850 Mikrometer sind in Graustufen und blauen Konturlinien, und bei 1.1 Millimeter mit roten Konturlinien dargestellt; die Submillimeter-Konturlinien mit SCUBA-2 (die eine viel geringere räumliche Auflösung haben) sind gelb gezeigt.
Greenslade et al. 2019

Galaxien, die im Infraroten sehr leuchtkräftig sind, sind üblicherweise auch bei der Bildung von Sternen aktiv, deren ultraviolette Strahlung den Staub aufheizt. Die Energie, die vom Staub bei infraroten Wellenlängen wieder emittiert wird, ist durch ein breites spektrales Profil mit einem ausgeprägten Emissionspeak gekennzeichnet. Weil sich das Universum ausdehnt, und weil die beobachteten Spektren der Galaxien ins Rote verschoben sind, verschiebt sich Licht dieser Peak in das Submillimeterband und liefert den beobachteten Infrarotfluß mit verminderter Intensität. Sternbildende Galaxien im sehr fernen Universum sind deshalb im Infraroten leuchtschwächer als im Submillimeterband.

Tausende Galaxien sind entdeckt worden, die aus der Zeit von nur wenigen Milliarden Jahren nach dem Urknall stammen. Bei den meisten handelt es sich um kleine, massearme Galaxien, die leuchtschwach und relativ schwer zu untersuchen sind. Auch wenn leuchtkräftigere, massereiche sternbildende Galaxien existieren sollten, finden sich diese großen Objekte zu frühen kosmischen Epochen nicht leicht zusammen und so viele gibt es von ihnen nicht. Eine Gruppe für solch eine leuchtstarke frühe Galaxie wird staubreiche sternbildende Galaxie genannt. Sie enthalten so viel Licht verschluckenden Staub, daß sie bei optischen Wellenlängen unsichtbar sind, und (auf der Grundlage ihrer Leuchtkräfte) Sternentstehungsraten besitzen, die tausend Sonnenmassen pro Jahr übersteigen; die Milchstraße bringt, zum Vergleich, ungefähr ein Stern pro Jahr hervor.

Staubreiche sternbildende Galaxien aus den frühesten Zeiten, weniger als zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall, sind besonders selten und schwer zu finden, aber eine äußerst wertvolle Hilfe für das Verständnis, wie sich die ersten Galaxien entwickeln. CfA-Astronom Glen Petitpas war Mitglied in einem Astronomenteam, daß die Kamera SCUBA-2 (Submillimeter Common User Bolometer Array-2) und für das ferne Infrarot das Instrument SPIRE an Bord von Herschel einsetzte, um eine staubreiche sternbildende Galaxie zu entdecken und zu charakterisieren. Sie entdeckten glücklicherweise die ungewöhnliche Galaxie in einer SCUBA-2 Durchmusterung. Als das Team erkannte, daß das Objekt nicht mit Herschel gemessen wurde – oder durch irgendeine andere optische oder infrarote Durchmusterung, ein Hinweis darauf, daß sich ihr Infrarot-Peak sehr weit ins Rote bewegt hatte – folgerte das Team, daß die Galaxie wahrscheinlich aus einem extrem frühen Zeitalter stammte.

Das Team setzte anschließend das Submillimeter Array ein, dessen räumliche Auflösung etwa zehn Mal so fein ist als diejenige von SCUBA-2, um die Messung zu bestätigen und die Quelle zu untersuchen. Da eine sichere Entfernungsmessung die Messung einer Spektrallinie und deren Rotverschiebung erfordert, versuchten die Forscher auch andere Submillimeter-Einrichtungen, die für eine Liniensuche geeignet sind, einzusetzen, allerdings ohne Erfolg. Aus den Grenzen für die Intensität des Photonenflusses bei verschiedenen Wellenlängen konnten sie dennoch starke Argumente dafür liefern, daß dieses Objekt eine massereiche, staubreiche sternbildende Galaxie ist, mitten unter der ersten Generation massereicher Galaxien im Universum und aus einer Zeit zwischen etwa siebenhundert Millionen und einer Milliarde Jahre nach dem Urknall stammt.

Literatur:

„A SCUBA-2 Selected Herschel-Spire Dropout and the Nature of This Population“

J. Greenslade, E. Aguilar, D. L. Clements, H. Dannerbauer, T. Cheng, G. Petitpas, C. Yang , H. Messias, I. Oteo, D. Farrah, M. J. Michałowski, I. Perez Fournon, I. Aretxaga, M. S. Yun, S. Eales, L. Dunne, A. Cooray, P. Andreani, D. H. Hughes, M. Velázquez, D. Sánchez-Argüelles, N Ponthieu

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 490, 5317, 2019

oder

arXiv:1910.03512v1 [astro-ph.GA] 8 Oct 2019