Die entfernteste Galaxie lichtet den kosmische Nebel

Simulation von Galaxien im frühen Universum während der Epoche der Reionisation Abbildung: M. Alvarez , R. Kaehler, and T. Abel

Ein europäisches Astronomenteam hat mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO die Distanz zur fernsten bisher bekannten Galaxie bestimmt. Ihren Untersuchungen des extrem schwachen Glimmens der Galaxie zufolge zeigen die Aufnahmen das Aussehen des Objekts zu einer Zeit, als das Universum erst 600 Millionen Jahre alt war (entsprechend einer so genannten Rotverschiebung von 8,6). Damit handelt es sich um die ersten gesicherten Beobachtungen einer Galaxie, deren Licht den undurchsichtigen Wasserstoffnebel durchdringt, mit dem das frühe Weltall angefüllt war. Die Ergebnisse der Studie erscheinen am 21. Oktober in der Fachzeitschrift Nature.

“Mit dem Very Large Telescope der ESO konnten wir eine Galaxie, die bereits vorher mit dem Hubble-Weltraumteleskop entdeckt wurde, als das am weitesten entfernte Objekt im uns bekannten Universum identifizieren” [1] erklärt Matt Lehnert vom Observatoire de Paris, Erstautor des Fachartikels, in dem die neuen Ergebnisse vorgestellt werden. „Erst die Leistungsfähigkeit des VLT und seines SINFONI-Spektrografen hat es uns ermöglicht, die Entfernung zu dieser sehr lichtschwachen Galaxie zu bestimmen. Wir sehen den Zustand dieses Objekts zu einer Zeit, als das Universum erst 600 Millionen Jahre alt war.“

Die Untersuchung dieser ersten Galaxien ist ein extrem schwieriges Unterfangen. Bis ihr Licht die Erde erreicht, ist aus intensivem Leuchten ein extrem schwaches Glimmen geworden. Hinzu kommt, dass uns der größte Teil dieses schwachen Lichtsignals im infraroten Teil des Spektrums erreicht, da die Wellenlänge des Lichts durch die Expansion des Universums gedehnt wurde – ein Effekt, den man als „Rotverschiebung“ bezeichnet. Diese ohnehin schon schwierigen Ausgangsbedingungen werden dadurch noch weiter verschärft, dass das Universum weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall gar nicht vollständig durchsichtig war: Ein großer Teil des Raumes war von einem Nebel aus Wasserstoffgas ausgefüllt, der das intensive ultraviolette Licht der jungen Galaxien absorbierte. Die Epoche in der Geschichte des Kosmos, in der sich der Nebel durch den Einfluss dieser ultravioletten Strahlung aufklarte heißt Reonisationsära [2].

Trotz dieser Hürden gelang es 2009 mit der neuen Wide Field Camera 3 am ESA/NASA-Weltraumteleskop Hubble, mehrere aussichtsreiche Kandidaten für Galaxien zu entdecken, deren Licht uns aus eben dieser Ära der Reonisation erreicht [3]. Es ist eine enorme Herausforderung, die Entfernung eines solchen Objekts hinreichend zuverlässig zu bestimmen. Dies kann nur durch spektroskopische Untersuchungen mit sehr großen, bodengebundenen Teleskopen gelingen, indem man die Rotverschiebung des Lichtes der Galaxie misst [4].

“Nach der Veröffentlichung der Galaxienkandidaten aus den Hubble-Beobachtungen machten wir eine kurze Abschätzung, ob es überhaupt möglich sein würde, sie näher zu untersuchen. Wir waren sofort wie elektrisiert, denn wir fanden heraus, dass mit dem gewaltigen Lichtsammelvermögen des VLT in Kombination mit der Empfindlichkeit des Infrarotspektrografen SINFONI bei einer außergewöhnlich langen Belichtungszeit tatsächlich eine Entfernungsbestimmung dieser extrem schwachen Galaxien möglich sein sollte.”

uf gesonderten Antrag beim Generaldirektor der ESO bekam das Team eine Beobachtungszeit von 16 Stunden für die Galaxie UDFy-38135539 am VLT bewilligt [5]. Nach zweimonatiger, sehr sorgfältiger Auswertung stand fest, dass die Wissenschaftler dort zweifelsfrei das extrem schwache Leuchten von Wasserstoff bei einer Rotverschiebung von 8,6 beobachtet hatten. Das macht die Galaxie zum entferntesten jemals spektroskopisch bestätigten Objekt.

Koautorin Nicole Nesvadba vom Institut d’Astrophysique Spatiale in Paris fasst zusammen: “Die Rotverschiebung einer so weit entfernten Galaxie zu messen, ist schon für sich genommen eine sehr aufregende Sache, aber noch viel wichtiger sind die astrophysikalischen Schlussfolgerungen: Zum ersten Mal können wir sicher sein, eine der Galaxien beobachtet zu haben, die dazu beigetragen hat, den Nebel im frühen Universum zu lichten.“

Überraschend dabei ist, dass das Leuchten von UDFy-38135539 selbst nicht intensiv genug gewesen sein dürfte, um einen Weg durch den Wasserstoffnebel zu bahnen. “Es muss also andere, vermutlich schwächere und weniger massereiche Begleitergalaxien von UDFy-38135539 geben, die ebenfalls dazu beigetragen haben, den Raum um UDFy-38135539 transparent zu machen. Ohne diese Unterstützung wäre das Licht der Galaxie im umgebenden Wasserstoffnebel gefangen geblieben, und ganz egal wie intensiv es ursprünglich gewesen wäre, wir hätten es nicht beobachten können“, erklärt Mark Swinbank von University of Durham, ebenfalls Koautor der Studie.

Koautor Jean-Gabriel Cuby vom Laboratoire d’Astrophysique de Marseille fügt hinzu: „Die Untersuchung der Reionisationsära stößt an die Grenzen der Möglichkeiten heutiger Teleskope und Instrumente. Doch sobald das European Extremely Large Telescope der ESO in Betrieb geht – es wird dann das größte im Optischen und im nahen Infrarot arbeitende Teleskop der Welt – werden derartige Messungen ganz alltäglich sein.“
Notizen

[1] Eine frühere ESO-Pressemitteilung (eso0405) hatte über ein Objekt in noch größerer Entfernung (bei einer Rotverschiebung von 10) berichtet. Folgeuntersuchungen konnten jedoch kein Objekt mit entsprechender Helligkeit an der entsprechenden Stelle nachweisen, und kürzlich erfolgte Nachbeobachtungen mit dem Weltraumteleskop Hubble erbrachten keinen eindeutigen Befund. Daher halten die meisten Astronomen es nicht für zulässig, das entsprechende Objekt als sehr weit rotverschobene Galaxie zu identifizieren.

[2] Nach dem Urknall vor etwa 13,7 Milliarden Jahren begann das Universum, sich abzukühlen, so dass sich später Elektronen und Protonen zu Wasserstoffgas verbinden konnten. Dieses kalte, dunkle Gas war der Hauptbestandteil des Universums während des so genannten „Dunklen Zeitalters“, in dem es noch keine leuchtenden Objekte gab. Diese Epoche endete mit der Bildung der ersten Sterne, deren intensive Ultraviolettstrahlung den Wasserstoffnebel wieder durchsichtig machte, indem sie die Atome erneut in Elektronen und Protonen auftrennte. Dieser Abschnitt der Frühgeschichte des Universums – von rund 150 bis rund 800 Millionen Jahren nach dem Urknall – wird als „Reionisationsära“ bezeichnet.. Ein genaues Verständnis des Prozesses der Reionisation und der Bildung und Entwicklung der ersten Galaxien ist eine der großen Herausforderungen der modernen Kosmologie.

[3] Die Hubble-Beobachtungen werden unter http://www.spacetelescope.org/news/heic1001/ näher beschrieben.

[4] Astronomen kennen im Wesentlichen zwei Methoden, die Entfernungen der ersten Galaxien zu bestimmen. Eine Möglichkeit besteht darin, sehr tiefe Belichtungen durch verschiedenfarbige Filter durchzuführen und damit die Helligkeit vieler Objekte bei verschiedenen Wellenlängen zu messen. Anschließend vergleicht man diese Messwerte mit den Erwartungswerten für verschiedene Galaxientypen zu verschiedenen Zeiten in der Geschichte des Universums. Diese Technik wurde vom Hubble-Team angewandt und ist zur Zeit die einzige Möglichkeit, diese sehr schwachen Galaxien zu entdecken. Die Methode ist aber leider nicht immer zuverlässig: Beispielsweise kann sich eine scheinbar schwache, weit entfernte Galaxie manchmal als ganz gewöhnlicher, kühler Stern innerhalb unserer Milchstraße entpuppen.
Sind Kandidatenobjekte einmal entdeckt, kann man zuverlässigere Einschätzungen der Entfernung (gemessen über die Rotverschiebung) erhalten, indem man das Licht der Objekte in seine Spektralfarben zerlegt und nach den „chemischen Fingerabdrücken“ der Emission von Wasserstoff oder anderen Elementen sucht. Diese spektroskopische Methode ist für Astronomen die einzige Möglichkeit, zuverlässige und genaue Entfernungsmessungen zu erhalten.

[5] Die ungewöhnliche Bezeichnung zeigt an, dass das Objekt im Suchgebiet des sogenannten Hubble Ultra Deep Field gefunden wurde, einem Himmelsgebiet, das schon von vielen Teleskopen und Raumsonden eingehend untersucht wurde. Die Zahlenfolge ergibt sich aus der genauen Position des Objekts am Himmel.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie