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Montag, 11.12.2017
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Frühester Sauerstoff des Universums entdeckt

Nachweis in einer Galaxie aus der Zeit nur 600 Millionen Jahre nach dem Urknall

Uralte Signatur: Astronomen haben den bisher ältesten Sauerstoff im Universum aufgespürt. Sie entdeckten die Spektralsignatur dieses Elements in einer Galaxie, die aus der Zeit nur 600 Millionen Jahre nach dem Urknall stammt. Überraschend auch: Diese Galaxie enthält ungewöhnlich viel Staub – ein Hinweis darauf, dass selbst zu diesem frühen Zeitpunkt schon mindestens eine Generation von Sternen als Supernova explodiert sein muss.
So könnte die ferne Galaxie A2744_YD4 aussehen - sie  stammt aus der Zeit nur 600 Millionen Jahre nach dem Urknall. (Illustration)

So könnte die ferne Galaxie A2744_YD4 aussehen - sie stammt aus der Zeit nur 600 Millionen Jahre nach dem Urknall. (Illustration)

Wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall durchlebte das junge Universum einen entscheidenden Wandel: die ersten Sterne entstanden. Erst durch sie wurden die ersten schwereren Elemente gebildet und ihre Strahlung ionisierte die bis dahin neutralen Wasserstoffwolken des Kosmos. Wann genau jedoch diese sogenannte Population III-Sterne entstanden und mit ihrem Ende als Supernovae die ersten schweren Elemente, ist bislang unklar.

Uralte Galaxie


Jetzt haben Nicolas Laporte vom University College London und seine Kollegen in einer fernen Galaxie den bisher fernsten und ältesten Sauerstoff des Kosmos entdeckt. Die Signatur dieses Elements fanden sie mit Hilfe des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in der in der Galaxie A2744_YD4. Die Galaxie besitzt eine Rotverschiebung von z = 8,38 – das Licht dieser Galaxie kommt damit aus einer Zeit, als das Universum gerade einmal 600 Millionen Jahre alt war.

Die Astronomen blicken damit genau in die Ära des Alls zurück, als gerade die ersten Sterne und Galaxien entstanden waren. Möglich wurde dieser ferne Blick nur durch den Gravitationslinsen-Effekt: Die Schwerkraft eines im Vordergrund liegenden Galaxienclusters wirkte wie eine Vergrößerungslinse und verstärkte das schwache Licht der fernen Galaxie A2744_YD4.


Ältester Sauerstoff im Universum


Als die Astronomen die Galaxie näher beobachteten, entdeckten sie gleich mehrere Besonderheiten: Zum einen enthält das Licht von A2247_YD4 die Spektralsignatur von ionisiertem Sauerstoff. Dies ist der entfernteste, und damit auch früheste Nachweis von Sauerstoff im Universum, wie die Astronomen erklären.

Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops und die ferne A2744_YD4, wie ALMA sie sieht (Ausschnitt)

Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops und die ferne A2744_YD4, wie ALMA sie sieht (Ausschnitt)

Der Sauerstoff in A2247_YD4 ist noch einmal 100 Millionen Jahre älter als der im letzten Jahr entdeckte in der Galaxie SXDF-NB1006-2. Weil dieses schwerere Element erst durch die Explosion der ersten Sternengeneration freiwurde, muss es demnach schon 600 Millionen Jahre nach dem Urknall genügend Supernovae gegeben haben, um den Sauerstoff zu produzieren.

Ungewöhnlich viel Staub


Ungewöhnlich an der Galaxie A2247_YD4 ist noch etwas: Sie enthält überraschend große Mengen Staub. Die Forscher schätzen, dass A2744_YD4 rund sechs Millionen Sonnenmassen an Staub enthält, aber nur rund zwei Millionen Sonnenmassen an Sternen. Der aus Silizium-, Kohlenstoff- und Aluminiumkörnchen bestehende Staub dieser Galaxie kann nur aus Sternexplosionen freigesetzt worden sein.

"A2744_YD4 ist nicht nur die entfernteste Galaxie, die je mit ALMA beobachtet wurde", sagt Laporte. "Die Entdeckung so großer Mengen Staub ist auch ein Hinweis darauf, dass bereits sehr früh Supernovae stattgefunden haben." Das bedeutet, dass 600 Millionen Jahre nach dem Urknall schon mindestens eine Generation von Sternen entstanden und wieder explodiert sein muss.

Wie die Astronomen feststellten, ist die Sternbildungsrate in der Galaxie A2744_YD4 mit rund
20 Sonnenmassen pro Jahr relativ hoch – in der Milchstraße liegt sie bei rund einer Sonnenmasse jährlich. "Solch eine Rate ist für eine so ferne Galaxie nicht ungewöhnlich, aber sie macht deutlich, wie schnell der Staub in A2744_YD4 entstanden ist", erklärt Koautor Richard Ellis vom University College London

Aus diesen Werten und der Staubmenge schließen die Forscher, dass die Sternbildung in der fernen Galaxie bereits rund 200 Millionen Jahre vor ihrem jetzt beobachteten Zustand begonnen haben muss. Dies passt gut zu der Entdeckung der bisher ältesten bekannten Galaxie im letzten Jahr, aber weniger gut zu den Ergebnissen des Planck-Satelliten. (Astrophysical Journal Letters, 2017)
(Europäischen Südsternwarte (ESO)/ Max-Planck-Institut für Astronomie, 09.03.2017 - NPO)
 
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