Astronomen lösen das Entfernungsrätsel einer Galaxie – und finden heraus, dass sie Gesellschaft hat

In diesem Ausschnitt aus dem Hubble Deep Field befindet sich HDF850.1. Das Kreuz zeigt den Ort der Submillimeter-Galaxie an – im herkömmlichen, sichtbaren Licht ist die Galaxie unsichtbar. Quelle: Bild: STScI / NASA, F. Walter (MPIA) (idw)

Ein internationales Team von Astronomen um Fabian Walter vom Max-Planck-Institut für Astronomie hat erstmals den Abstand der Galaxie HDF850.1 bestimmt, einer der in punkto Sternentstehung produktivsten Galaxien überhaupt. HDF850.1 ist demnach 12,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Wir sehen die Galaxie deswegen so, wie sie vor 12,5 Milliarden Jahren war. Die Galaxie scheint zusammen mit rund einem Dutzend weiterer Galaxien einen Proto-Galaxienhaufen zu bilden, der weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall entstanden ist – einer von nur zwei bislang bekannten Haufen dieser Art. Die Arbeit der Forscher ist jetzt in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Die Galaxie HDF850.1 ist unter Astronomen bekannt für die enorme Mengen neuer Sterne, die sie produziert: pro Jahr Sterne mit einer Gesamtmasse von eintausend Sonnenmassen. In normalen Galaxien wie unserer Milchstraße entsteht gerade mal ein Tausendstel dieser Menge. Doch trotz solcher Prominenz war HD850.1 in einer Hinsicht nur sehr schwer zu fassen: Die Astronomen hatten vierzehn Jahre lang große Schwierigkeiten, den Abstand der Galaxie von der Erde zu bestimmen.

Hintergrund der Schwierigkeiten ist, dass die Galaxie HDF850.1, die sich in einer Himmelsregion namens »Hubble Deep Field« (wörtlich das »tiefe Hubble-Feld«) befindet, für Beobachtungen mit normalem, sichtbaren Licht unsichtbar ist. Nachgewiesen wurde sie stattdessen mit Hilfe von Submillimeter-Strahlung (Wellenlängenbereich zwischen einigen Zehntel Millimetern und einem Millimeter), mit der sich insbesondere kühle Gas- und Staubwolken beobachten lassen.

Konkret war HDF850.1 im Jahre 1998 bei Beobachtungen mit dem James Clerk Maxwell-Teleskop auf Hawaii als bei weitem hellste Quelle von Submillimeterstrahlung im gesamten Hubble Deep Field entdeckt worden. Als die Forscher anschließend Aufnahmen des Weltraumteleskops Hubble auswerteten, erlebten sie eine Überraschung: HDF850.1 ist in diesen Aufnahmen komplett unsichtbar!

Letzterer Umstand ist kein großes Rätsel. Fabian Walter (MPIA) erklärt: »Neue Sterne entsstehen im Inneren dichter Wolken aus Gas und Staub. Solche Wolken sind für normales Licht komplett undurchsichtig, so dass die leuchtenden Sterne der Galaxie den irdischen Teleskopen verborgen bleiben; Submillimeterstrahlung dagegen kann selbst dicke Gas- und Staubwolken weitgehend ungehindert durchqueren und bietet damit ungestörte Einblicke in das Wolkeninnere. Liegen über eine Galaxie wie HDF850.1 lediglich Daten aus einem sehr engen Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums vor, dann ist es sehr schwierig, die Entfernung der Galaxie und damit ihren Platz in der Geschichte unseres Universums zu bestimmen.«

Nun hat Walter mit einer internationalen Gruppe von Forschern das Rätsel der Entfernung von HDF850.1 gelöst. Mit Hilfe neuer Instrumente am IRAM-Interferometer auf dem Plateau de Bure, bei dem sechs Radioantennen zu einem gigantischen Millimeter-Teleskop zusammengeschaltet werden, konnten sie charakteristische Eigenschaften (»Spektrallinien«) des Lichts von HDF850.1 identifizieren, anhand derer eine genaue Entfernungsbestimmung möglich ist.

Pierre Cox, der Direktor von IRAM, erklärt: »Nur dank der neuen Instrumente, die jetzt am IRAM-Interferometer installiert sind, konnten wir diese schwachen Linien in HDF850.1 nachweisen und endlich finden, wonach Astronomen in den letzten 14 Jahren vergeblich gesucht haben.«

Das Ergebnis ist überraschend: Die Galaxie befindet sich 12,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt (sog. Rotverschiebung z ~ 5.2). Wir sehen die Galaxie daher so, wie sie vor 12,5 Milliarden Lichtjahren war, zu einer Zeit, als das Universum als Ganzes nur 1,1 Milliarden Jahre alt war! Die spektakulär hohen Sternentstehungsraten von HDF850.1 gehören damit in eine kosmische Epoche, in der das Universum weniger als 10% so alt war wie heute.

Weitere Beobachtungen mit dem Karl Jansky-Very Large Array (VLA) der amerikanischen National Science Foundation, einem gigantischen Radioteleskop-Feld im US-Bundesstaat Neu-Mexiko, zeigten den Forschern, dass ein ungewöhnlich großer Bruchteil der Masse der Galaxie in Form von Molekülen vorliegt – dem Rohmaterial für neue Sterne.

Sobald die Entfernung bekannt war, konnten die Forscher die Galaxie in den richtigen kosmischen Zusammenhang einordnen. Mit Hilfe weiterer Daten aus veröffentlichten ebenso wie aus noch unveröffentlichten Himmelsdurchmusterungen konnten sie zeigen, dass die Galaxie Teil einer sehr frühen Sorte von Galaxienhaufen sein dürfte. Vorher war erst ein einziger solcher Protohaufen aus der Frühzeit des Universums bekannt gewesen.

Die neuen Forschungsergebnisse machen außerdem die Bedeutung von zukünftigen, leistungsfähigeren Interferometern im Submillimeter- und Millimeterbereich deutlich. Dazu gehört NOEMA, eine zukünftige Erweiterung des Interferometers auf dem Plateau de Bure, ebenso wie ALMA, ein neues Verbundteleskop für Submillimeter- und Millimeterstrahlung, das derzeit von einem internationalen Konsortium in der chilenischen Atacama-Wüste errichtet wird. Beide Anlagen werden im Submillimeter- und Millimeterbereich Beobachtungen mit nie zuvor erreichbarer Detailschärfe erlauben. Damit sollte das Verbundteleskop Entfernungsbestimmungen und weitere Untersuchungen für viele noch weiter entfernte Galaxien ermöglichen, die im frühen Universen aktiv Sterne gebildet haben, aber im sichtbaren Licht unsichtbar bleiben.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie (idw)