Über die Frühphase der Galaxienentstehung lagen bisher nur Theorien vor Erster Blick auf dunkle Galaxien im jungen Universum - scinexx | Das Wissensmagazin
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Über die Frühphase der Galaxienentstehung lagen bisher nur Theorien vor

Erster Blick auf dunkle Galaxien im jungen Universum

Der Quasar HE0109-3518 (roter Kreis) und die 12 dunklen Galaxien (blaue Kreise). © ESO, Digitized Sky Survey 2 and S. Cantalupo (UCSC)

Astronomen haben erstmals sogenannte dunkle Galaxien beobachtet. Diese Frühphase der Galaxienentstehung war bislang nur theoretisch vorhergesagt worden. Nun konnte ihre Existenz erstmals bestätigt werden. Die dunklen Galaxien bestehen überwiegend aus Gas und enthalten nur wenige Sterne. Einem internationalen Astronomenteam ist es mit dem Very Large Telescope der ESO gelungen, diese geheimnisvollen Objekte durch Strahlung nachzuweisen, die sie aussenden, wenn sie von einem Quasar angeleuchtet werden.

Dunkle Galaxien sind kleine, gasreiche Galaxien im frühen Universum, in denen gemessen an den vorhandenen Gasmengen nur sehr wenige Sterne entstehen. Die Existenz dieser Himmelsobjekte wird von Modellen der Galaxienentstehung vorausgesagt, in denen solche dunklen Galaxien das wesentliche Rohmaterial für die spätere Sternentstehung in größeren Galaxien liefern, denen sie ihre reichhaltigen Gasvorräte zuführen. Da sie kaum Sterne enthalten, senden die dunklen Galaxien auch kaum Licht aus. Entsprechend schwierig ist es, sie nachzuweisen. Über Jahre hinweg haben Astronomen daher vergeblich versucht, Techniken zu entwickeln, um ihnen doch noch auf die Spur zu kommen.

Schwache Absorptionslinien in den Spektren von Hintergrundlichtquellen hatten erste Hinweise auf die Existenz der schwer fassbaren dunklen Galaxien geliefert, aber erst im Rahmen der aktuellen Studie hat man sie direkt beobachten können. “Unsere Methode zum Nachweis der dunklen Galaxien bestand ganz einfach darin, sie hellem Licht auszusetzen”, erläutert Simon Lilly von der ETH Zürich in der Schweiz, Koautor des Fachartikels. “Wir haben nach dem sogenannten Fluoreszenzleuchten des Gases gesucht, das auftritt, wenn dunkle Galaxien der intensiven Ultraviolettstrahlung eines nahegelegenen, sehr hellen Quasars ausgesetzt sind. Das Licht des Quasars lässt die Galaxien aufleuchten wie weiße Kleidungsstücke unter Schwarzlicht in einer Diskothek.”

Fluoreszenz verrät dunkle Galaxien

Um das äußerst schwache Fluoreszenzleuchten nachweisen zu können, mussten die Forscher alle Register ziehen: Zum einen halfen ihnen die große Lichtsammelfläche und die Empfindlichkeit des Very Large Telescope (VLT), aber erst nach der Kombination mehrerer lang belichteter Aufnahmen konnte das Team das schwache Fluoreszenzleuchten der dunklen sichtbar machen. Mit dem FORS2-Instrument kartierten sie den Himmel in der Umgebung des hellen Quasars HE 0109-3518 und suchten nach Ultraviolettlicht, wie es von Wasserstoffgas ausgesendet wird, wenn dieses intensiver UV-Strahlung ausgesetzt ist.

Durch die Expansion des Universums und die damit verbundene Rotverschiebung des Lichts lässt sich das entstehende Licht mit dem VLT im Falle der Galaxien in der Umgebung von HE 0109-3518 im sichtbaren Licht als violetter Farbton nachweisen. “Nach mehreren Jahren erfolgloser Versuche, das Fluoreszenzlicht dunkler Galaxien nachzuweisen, konnten wir jetzt zeigen, dass unsere Methode funktioniert: So kann man diese faszinierenden und zuvor unsichtbaren Objekte entdecken und näher untersuchen”, ergänzt Sebastiano Cantalupo von der University of California in Santa Cruz, der Erstautor der Studie.

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Zwölf von hundert Kandidaten

Das Astronomenteam konnte in einem nur wenige Millionen Lichtjahre durchmessenden Volumen rund um den Quasar HE 0109-3518 fast hundert gashaltige Objekte nachweisen. Nach einer sorgfältigen Analyse schlossen die Wissenschaftler diejenigen Objekte aus, bei denen das beobachtete Leuchten doch von der Entstehung von Sternen in diesen Galaxien verursacht worden sein könnte, anstatt durch den Quasar angeregt zu werden, und grenzten ihre Suche auf Zwölf Objekte ein, bei denen dies nicht der Fall war. So gelang der bislang überzeugendste Nachweis dunkler Galaxien im frühen Universum überhaupt.

Die Astronomen konnten außerdem verschiedene Eigenschaften dieser dunklen Galaxien bestimmen. Sie schätzen, dass ihr Gasgehalt etwa einer Milliarde Sonnenmassen entspricht; ein Wert, der typisch für massearme, gasreiche Galaxien im frühen Universum ist. Außerdem verläuft die Sternentstehung in diesen Galaxien rund hundert Mal ineffizienter als bei normalen Galaxien vergleichbaren Alters.

“Unsere VLT-Beobachtungen haben eindeutige Hinweise auf die Existenz kompakter und isoliert stehender dunkler Wolken geliefert. Das ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis der geheimnisvollen frühen Stadien der Entstehung von Galaxien – und wir wissen jetzt mehr darüber, wie Galaxien an das zur Sternentstehung nötige Gas kommen“, schließt Cantalupo. Der Integralfeldspektrograf MUSE, der 2013 am VLT in die Testphase gehen wird, dürfte sich bei der späteren näheren Untersuchung dieser Objekte als gerade das richtige leistungsstarke Werkzeug erweisen.

(ESO Science Outreach Network (Carolin Liefke), 13.07.2012 – NPO)

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