GALAXIENENTSTEHUNG
Herschel misst benötigte Dunkle Materie
von Stefan Deiters
astronews.com
18. Februar 2011

Mithilfe des europäischen Weltraumteleskops Herschel konnten Astronomen nun bestimmen, wie viel Dunkle Materie nötig ist, damit sich eine Galaxie mit nachhaltiger Sternentstehung bildet. Die Forscher erhoffen sich von den Untersuchungen neue Erkenntnisse darüber, wie diese ominöse Substanz die Entstehung von massereichen Galaxien im jungen Universum beeinflusst hat.

Herschel-Falschfarben-Aufnahme einer Region im Sternbild Großer Bär, die als Lockman-Hole bekannt ist. Hier ist ein nahezu ungestörter Blick in die Tiefen des Alls möglich. Bei fast jedem Punkt auf dem Bild handelt es sich um eine weit entfernte Galaxie. Bild: ESA / SPIRE-Konsortium  /  HerMES-Konsortium [Großansicht]

"Wenn man mit zu wenig Dunkler Materie beginnt, würde die Entstehung einer Galaxie im Sande verlaufen", erklärt Asantha Cooray von der University of California in Irvine, der die jetzt in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Untersuchung geleitet hat. "Wenn man hingegen zu viel hat, kann das Gas sich nicht effektiv genug abkühlen, um eine große Galaxie entstehen zu lassen. Das Ergebnis sind viele kleine Galaxien. Mit der genau richtigen Menge aber bekommt man eine Galaxie, in der zahlreiche Sterne entstehen." Diese "richtige Menge" ist nach Untersuchungen der Astronomen etwa die 300-milliardenfache Masse unserer Sonne.

Die Studie basiert auf Messungen mit dem europäischen Infrarot-Weltraumteleskop Herschel, das im Mai 2009 gestartet wurde. "Die neuen Beobachtungen zeigen, dass frühe Galaxien deutlich heftigere Phasen von Sternentstehung durchlaufen als wir sie heute in der Milchstraße beobachten können", erläutert William Danchi, Herschel-Programmwissenschaftler am NASA-Hauptquartier in Washington. "Dies zeigt, wie wichtig die Infrarotastronomie ist, weil sie uns erlaubt, durch den interstellaren Staub zu blicken und Sterne in ihrer Kindheit zu beobachten."

Das Team um Cooray hat die Infrarotstrahlung von massereichen Galaxien in zehn bis elf Milliarden Lichtjahre Entfernung gemessen, in denen gerade viele neue Sterne entstehen. Die Astronomen vermuten, dass sich diese Galaxien im Inneren von großen Ansammlungen von Dunkler Materie gebildet haben. Dunkle Materie ist eine bislang nicht entdeckte Substanz, die sich nur durch ihre gravitative Wirkung bemerkbar macht. Im Falle der Galaxien sorgt diese dafür, dass sich Gas und Staub an einer Stelle so konzentrieren, dass Sterne und damit eine Galaxie entstehen kann.

Herschel erlaubte den Astronomen nun einen Blick auf diese Prozesse. Mit Hilfe des Teleskops beobachteten sie die Infrarotstrahlung von entfernten massereichen Galaxien, in denen gerade Sterne entstehen. Davon gibt es so viele, dass sich ihre Strahlung zum sogenannten kosmischen Infrarothintergrund überlappt. Dieser ist allerdings nicht gleichmäßig verteilt, sondern hat eine netzartige Struktur. Da Herschel große Bereiche schnell und mit hoher Auflösung kartieren kann, entstanden so die ersten detaillierten Karten dieses kosmischen Infrarothintergrunds.

"Es hat sich gezeigt, dass es sehr viel effektiver ist, sich diese Muster und nicht einzelne Galaxien anzuschauen", erläutert Jamie Bock vom NASA Jet Propulsion Laboratory und verantwortlich für den Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE) an Bord von Herschel, mit dem die Beobachtungen gemacht wurden. "Das ist genauso, wie der Blick auf ein Foto in einer Zeitschrift in Leseentfernung. Man sieht das gesamte Bild, aber nicht die einzelnen Punkte. Herschel zeigt uns das großflächige Bild dieser entfernten Galaxien und damit den Einfluss der Dunklen Materie."

Auf den Karten ist zu erkennen, dass Galaxien sich deutlich ausgeprägter in Gruppen zu sammeln scheinen, als man bislang angenommen hatte. Diese Haufenbildung hängt von der Menge der Dunklen Materie ab. Mit Hilfe einer Reihe von nummerischen Simulationen konnten die Astronomen genau berechnen, wie viel Dunkle Materie für die Entstehung einer einzelnen Galaxie mit fortgesetzter Sternentstehung nötig ist.

"Diese Messungen sind sehr wichtig, da sie uns etwas über die wesentlichen Zutaten für die Galaxienentstehung verraten", unterstreicht Alexandre Ambland von der University of California in Irvine, der Erstautor des Nature-Artikels. "In diesem Fall scheint die Zutat 'Dunkle Materie' eine sehr exotische Substanz zu sein, über die wir noch sehr viel lernen müssen."

Die mit Herschel entdeckte optimale Masse zur Galaxienbildung liegt deutlich unter dem bislang vermuteten Wert. Mit dem Teleskop konnten die Astronomen zudem feststellen, dass die Sternentstehungsrate in den entfernten Systemen drei bis fünf Mal höher ist, als man bislang auf Grundlage anderer Beobachtungen geschätzt hatte.