Der Energiequelle der größten kosmischen Wolken auf der Spur

Der Lyman-Alpha-Klumpen leuchtet wegen der Rotverschiebung in Grün Bild: ESO/M. Hayes

Beobachtungen mit dem Very Large Telescope der ESO haben die Energiequelle einer gewaltigen Wolke glühenden Gases im frühen Universum enthüllt. Erstmalig konnte nachgewiesen werden, dass der hier beobachtete riesige “Lyman-Alpha-Klumpen” – eines der größten Einzelobjekte, die man überhaupt kennt – seine Energie von Galaxien tief in seinem Inneren erhält. Die Ergebnisse erscheinen am 18. August in der Fachzeitschrift Nature.

Ein Team von Astronomen hat mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO ein höchst ungewöhnliches Objekt untersucht, einen so genannten Lyman-Alpha-Klumpen [1]. Solche riesigen, sehr leuchtkräftigen und im kosmischen Maßstab vergleichsweise seltenen Strukturen finden sich typischer Weise in Regionen des frühen Universums, in denen die Materiedichte hoch ist. Die Wissenschaftler fanden bei ihren Beobachtungen heraus, dass das von ihrem Zielobjekt stammende Licht polarisiert ist [2]. Im Alltag wird polarisiertes Licht unter anderem verwendet, um 3D-Effekte bei Kinofilmen zu erzeugen [3]; in der Astronomie ist es allgemein ein Zeichen dafür, dass Licht uns nicht direkt erreicht, sondern unmittelbar vor seiner Beobachtung von kosmischer Materie gestreut wurde.. Der Nachweis der Polarisation des Lichtes bringt die Wissenschaftler daher der Lösung des Rätsels, wie das Leuchten der Lyman-Alpha-Klumpen zustande kommt, ein ganzes Stück näher.

“Unsere Beobachtungen haben gezeigt, dass das Leuchten dieses merkwürdigen Objektes nicht von dem Klumpen selbst ausgeht. Stattdessen handelt es sich um gestreutes Licht von Galaxien, die im Inneren des Klumpens verborgen sind” erklärt Matthew Hayes von der Université de Toulouse in Frankreich, der Erstautor der Veröffentlichung.

Lyman-Alpha-Klumpen gehören zu den größten Objekten im Universum. Es handelt sich dabei um gigantische Wolken aus Wasserstoffgas, deren Durchmesser einige Hunderttausend Lichtjahre erreichen kann – also ein Vielfaches des Durchmessers unserer Milchstraße – und die so hell leuchten wie die hellsten Galaxien. Üblicherweise beobachten Astronomen diese Klumpen in großen Entfernungen und sehen sie daher so, wie sie waren als das Universum erst wenige Milliarden Jahre alt war. Dahern spielen Lyman-Alpha-Klumpen eine wichtige Rolle für unser Verständnis von Entstehung und Entwicklung der Galaxien zu einer Zeit als das Universum noch viel jünger war als heute. Allerdings waren sowohl die Energiequelle, die ihre extreme Leuchtkraft ermöglicht, als auch die genauen Eigenschaften der Klumpen bislang unbekannt.

Insbesondere zur Energiequelle der Lyman-Alpha-Klumpen gibt es mehrere konkurrierende Theorien. Einer zufolge entsteht dasLeuchten,wenn kaltes Gas von der starken Schwerkraft des Klumpens nach innen gesogen wird und sich dabei aufheizt. Eine andere Theorie geht davon aus, dass die Klumpen leuchten, weil sich in ihrem Inneren strahlend helle Objekte befinden. Dabei könnte es sich um Galaxien handeln, in denen zur betreffenden Zeit gerade besonders viele Sterne entstehen, oder Galaxien, die gefräßige Schwarze Löcher enthalten, die Materie verschlucken, ein Prozess, der typischer Weise mit der Freisetzung großer Mengen von Energie verbunden ist.

Bei den jetzt veröffentlichten neuen Beobachtungen richteten die Wissenschaftler ihr Augenmerk auf einen der hellsten und als erstes entdeckten Klumpen. Er trägt die Bezeichnung LAB-1 und wurde im Jahr 2000 entdeckt. LAB-1 ist so weit von uns entfernt, dass sein Licht 11,5 Milliarden Jahre benötigt, um uns zu erreichen. Mit einem Durchmesser von 300.000 Lichtjahren ist LAB-1 auch einer der größten bekannten Klumpen. In seinem Inneren befinden sich mehrere junge Galaxien, darunter auch eine aktive Galaxie [4].

Die Beobachtungen zeigten nun, dass es tatsächlich die eingebetteten Galaxien sind, die LAB-1 mit Energie versorgen, und dass das Leuchten nicht auf nach innen gesogenes Gas zurückzuführen ist. Die entscheidende Information, um diese Entscheidung treffen zu können, enthielten die Astronomen, indem sie untersuchten, ob das vom Klumpen ausgehende Licht polarisiert ist oder nicht. Die Polarisation von Licht verrät uns nicht nur, durch welchen physikalischen Prozess es entstanden ist, sondern auch, was ihm auf dem Weg von seinem Ursprung bis zur Erde widerfahren ist. Wird ein Lichtstrahl reflektiert oder gestreut, so wird das Licht gleichzeitig auch polarisiert. Dieser Effekt kann mit hinreichend empfindlichen Instrumenten nachgewiesen werden. Die Messung der Polarisation des Lichtes von einem Lyman-Alpha- Klumpen ist wegen der großen Entfernung solcher Klumpen von der Erde jedoch ein sehr schwieriges Unterfangen.

Claudia Scarlata, eine Koautorin der Studie, erklärt: “Ohne das VLT und das FORS-Instrument hätten wir diese Beobachtung nicht durchführen können. Was wir vor hatten, konnte nur gelingen, wenn wir zum einen ein Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von mindestens acht Metern hätten, um genügend Licht zu sammeln, und zum zweiten eine Kamera einsetzen könnten, die die Polarisation des Lichtes messen kann. Es gibt nur wenige Observatorien auf der Welt, bei denen beide Voraussetzungen erfüllt sind.“

Knapp 15 Stunden Beobachtungszeit mit dem VLT benötigten die Astronomen, um nachweisen zu können, dass das Licht, das von einem Ring um das Zentrum des Lyman-Alpha Klumpens LAB-1 zu uns gelangt, in der Tat polarisiert ist. Direkt im Zentrum dagegen konnten sie dagegen keine Polarisation feststellen. Es ist so gut wie ausgeschlossen, dass diese Kombination von Polarisationseigenschaften auftreten kann, wenn Gas durch die Wirkung der Schwerkraft in den Klumpen stürzt. Stammt das Licht jedoch von Galaxien , die in die Zentralregion des Klumpens eingebettet sind, und wird es dann von dem Gas des Klumpens gestreut, dann erwartet man exakt die hier tatsächlich beobachteten Polarisationsverhältnisse.

Nächstes Ziel der Astronomen ist es nun, noch weitere dieser Objekte zu untersuchen, um herauszufinden, ob sich die Ergebnisse von LAB-1 auch auf andere Klumpen übertragen lassen.

Endnoten

[1] Der Name bezieht dass es sich um klumpige Materieansammlungen handelt, die bevorzugt Licht bei einer charakteristischen Wellenlänge aussenden, sogenanntes Lyman-Alpha-Licht. Solches Licht entsteht, wenn in Wasserstoffatomen die Elektronen vom zweitniedrigsten auf das niedrigste Energieniveau übergehen.

[2] Bei polarisiertem Licht haben die elektrischen und magnetischen Felder, welche die elektromagnetische Welle ausmachen, eine systematische Ausrichtung, während ihre Orientierung bei unpolarisiertem Licht zufällig und ohne Vorzugsrichtung ist.

[3] 3D-Effekte werden erzeugt, indem man das linke und das rechte Auge geringfügig verschiedene Bilder sehen lässt. In einigen 3D-Kinos wird für diesen Zweck polarisiertes Licht verwendet: Bilder, die mit unterschiedlich polarisiertem Licht erzeugt wurden, werden gleichzeitig ausgestrahlt und dann mit einer Brille mit Polarisationsfiltern beobachtet, die für das linke und das rechte Auge jeweils nur eine Sorte polarisierten Lichts durchlassen. So können das das linke und das rechte Auge unterschiedliche Bilder wahrnehmen.

[4] Aktive Galaxien sind Galaxien, mit extrem hell leuchtender Kernregion. Ihr Leuchten dürfte darauf zurückgehen, dass sich in ihrem Inneren ein gewaltiges Schwarzes Loch befindet; Material, das in das Schwarze Loch gezogen wird, heizt sich bei diesem Prozess stark auf und leuchtet sehr hell.
Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse von Hayes et al. erscheinen am 18. August 2011 unter dem Titel “Central Powering of the Largest Lyman-alpha Nebula is Revealed by Polarized Radiation” in der Fachzeitschrift Nature.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie