ALMA
Große Scheibengalaxien wuchsen schnell
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie 
astronews.com
22. Mai 2020

Lange Zeit war man davon ausgegangen, dass Scheibengalaxien wie unsere Milchstraße ihre große Masse relativ spät in der Geschichte des Universums erreichten. Jetzt wurde mit dem ALMA-Observatorium eine Scheibengalaxie entdeckt, die bereits vor rund zwölf Milliarden Jahre eine große Masse aufwies. Entstanden Galaxien also doch anders als vermutet?

Künstlerische Darstellung der Wolfe-Scheibe, einer massereichen rotierenden Scheibengalaxie im frühen, staubigen Universum. Die Galaxie wurde ursprünglich entdeckt, als ALMA das Licht eines weiter entfernten Quasars (oben links) untersuchte. Bild: NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello  [Großansicht]

Kurz nach dem Urknall war das Universum gleichförmig und strukturlos – eine Suppe aus Elementarteilchen. Wie sich in den darauffolgenden 13,8 Milliarden Jahren die reiche Vielfalt an Strukturen in unserem Kosmos gebildet hat, mit einer großen Vielzahl von Galaxien und ihren unzähligen Sternen, ist eine der grundlegenden Fragen der modernen Kosmologie.

Nun hat eine Entdeckung einer Gruppe unter der Leitung von Marcel Neeleman vom Max-Planck-Institut für Astronomie ein wichtiges neues Puzzlestück gefunden: Die Astronomen entdeckten eine Scheibengalaxie ähnlich unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, die bereits 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall die beträchtliche Masse von 70 Milliarden Sonnenmassen erreicht hatte. Damals hatte das Universum lediglich zehn Prozent seines heutigen Alters.

Die Entdeckung liefert ein wichtiges Argument für eine aktuelle Diskussion über die Entstehung von Galaxien. Dabei werden zwei grundlegend verschiedene Mechanismen untersucht: ein "Hot Mode"-Szenario, bei dem heißes Gas lange abkühlen muss, um letztlich eine Scheibe zu bilden, und das neuere "Cold Mode Accretion"-Szenario, bei dem kühles Gas auf eine neu entstandene Galaxie geleitet wird, so dass deutlich schneller eine Scheibe entstehen kann. Nur 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall eine ausgeprägte, massereiche Scheibe zu finden, zeigt, dass der kalte Entstehungsmodus eine wichtige Rolle bei der Galaxienentstehung spielen sollte. In dieselbe Richtung hatten vorher bereits Computersimulationen gewiesen.

Galaxien bilden sich, so die Theorie, innerhalb von Verklumpungen des kosmischen Netzwerks aus Dunkler Materie, so genannten Halos, die eine deutlich höhere Dichte als die umgebende Materie aufweisen. Durch ihre Gravitation ziehen diese Konzentrationen Dunkler Materie auch gewöhnliche Materie an. Aber damit diese gewöhnliche Materie leuchtende Sterne bildet, und dann auch über große Entfernungen sichtbar wird, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein.

Sterne entstehen, wenn kleinere Regionen innerhalb einer Wolke aus molekularem Gas kollabieren und sich erwärmen. Damit das überhaupt geschehen kann, und damit das Gas überhaupt Moleküle bilden kann, muss das Gas ausreichend kühl sein – direkt vor der Sternentstehung nur rund zehn Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt. Unter diesen Bedingungen ist es alles andere als einfach, dass große Galaxien wie unsere eigene Milchstraße entstehen, mit einer massereichen Scheibe aus kaltem Gas, in der sich neue Sterne bilden. Eine wichtige Art und Weise, wie Galaxien wachsen, besteht nämlich darin, dass sie mit anderen Galaxien kollidieren und verschmelzen.

"Die meisten Galaxien, die wir früh im Universum finden, sehen ziemlich mitgenommen aus, weil sie bereits eine Reihe von heftigen Verschmelzungsereignissen hinter sich haben", sagt Neeleman. "Die Aufheizung im Rahmen solcher Verschmelzungsereignisse erschwert die Entstehung geordnet rotierender Scheiben, wie wir sie in unserem heutigen Universum beobachten." Wenn bei einer Galaxienverschmelzung Gaswolken zusammenstoßen, bilden sich sogenannte Stoßfronten, und das Gas wird unweigerlich erhitzt. Anschließend dauert es typischerweise einige Milliarden Jahre, bis das Gas so weit abgekühlt ist, dass sich eine geordnete Gasscheibe bilden kann.

Moderne Simulationen der kosmischen Strukturbildung nutzen Supercomputer, um Dunkle Materie und Gas über Milliarden von Jahren nach dem Urknall zu verfolgen. Im Wesentlichen erschaffen sie dabei auf der Grundlage der bekannten physikalischen Gesetze jeweils ein virtuelles Universum, das es den Wissenschaftlern erlaubt, alle Phasen der kosmischen Evolution nachzuvollziehen. Zwei neuere Simulationen, die Auriga-Simulation von Galaxien ähnlich unserer Milchstraße sowie, in deutlich größerem Maßstab, die detaillierte TNG50-Simulation, haben die Möglichkeit eines alternativen Entstehungsmodus für Scheibengalaxien aufgezeigt: Dabei strömt kühles Gas in Galaxien ein, folgt dabei den Filamenten des Netzwerks aus Dunkler Materie und vermeidet auf diese Weise die Kollisionen, die das Gas aufheizen würden. Diese sogenannte kühle Akkretion ermöglicht die Entstehung massereicher Scheibengalaxien zu viel früheren Zeiten als im Verschmelzungs- und Abkühlungsszenario.

Der direkteste Weg, die Vorhersage aus den Simulationen zu überprüfen, bestand nun darin, massereiche Scheibengalaxien im frühen Universum zu finden. Ein solcher Fund wäre mit dem Verschmelzungs-und-Abkühlungs-Szenario nicht vereinbar, aber wäre dem kühlen Entstehungsmodus nach zu erwarten. Das war die Motivation für Marcel Neeleman und sein Team, sich auf die Suche nach frühen Scheibengalaxien zu begeben, also nach Systemen, die in großer Entfernung zu beobachten sind. 

Das Problem ist, dass dies nur mit leistungsstarken Teleskopen möglich ist und man zudem auch wissen muss, wo das gesuchte Objekt zu finden ist. Teammitglied J. Xavier Prochaska ist glücklicherweise ein Experte für eine vielversprechende Suchmethode: Sie nutzt extrem helle, extrem weit entfernte Quasare; das sind Objekte, deren Leuchtkraft auf Materie zurückgeht, welche auf das zentrale Schwarze Loch einer Galaxie fällt. Aus der Art und Weise, wie Gas einen Teil des Lichts des Quasars absorbiert, kann man auf das Vorhandensein und die Eigenschaften von Gas schließen, das sich zwischen dem fernen Quasar und uns befindet.

Neeleman und sein Team verwendeten Beobachtungen mit dem ALMA-Observatorium, einem Array von Dutzenden von Radioteleskopen in Chile, um auf diese Weise sechs frühe Galaxienkandidaten zu identifizieren, die so weit entfernt waren, dass ihr Licht rund zehn Milliarden Jahren unterwegs gewesen war, um uns zu erreichen. In dem dafür nötigen Wellenlängenbereich bietet ALMA unübertroffen hohe Auflösung und unübertroffen hohe Empfindlichkeit.

Beide Eigenschaften nutzten die Astronomen aus, um das hellste der Kandidatenobjekte, DLA0817g, genauer zu beobachten. Dabei fanden sie verräterische Wellenlängenverschiebungen, sogenannte Dopplerverschiebungen, die zeigten, dass sie es tatsächlich mit einer großen, stabilen, rotierenden Scheibe zu tun hatten. Weitere Beobachtungen unternahmen die Astronomen mit den VLA-Radioteleskopen. Aus der Kombination der scheinbaren Größe mit Daten zur Rotation der Scheibe erschlossen die Forscher die Masse der Scheibe: 70 Milliarden Sonnenmassen.

Die ALMA-Beobachtungen zeigen die Scheibe so, wie sie war, als das Universum gerade einmal 1,5 Milliarden Jahre alt war, rund 10% seines heutigen Alters. Die Forscher gaben DLA0817g den Namen "Wolfe-Scheibe", nach dem 2014 verstorbenen Arthur M. Wolfe, dem ehemaligen Doktorvater von drei der vier Autoren der Studie. Wolfes langfristiges Forschungsprogramm über die Absorption von Quasarlicht hatte diese und viele andere Entdeckungen überhaupt erst möglich gemacht.

Masse und Alter der Wolfe-Scheibe sind ein deutlicher Hinweis darauf, dass kühle Gas-Zuflüsse tatsächlich eine bedeutende Rolle in der kosmischen Evolution gespielt hat – so, wie es die Simulationen Auriga und TNG50 nahegelegt hatten. Bis man jedoch alle Details versteht, sind allerdings noch weitere Ergebnisse sowohl aus Simulationen als auch aus Beobachtungen erforderlich. "Wir glauben, dass die Wolfe-Scheibe in erster Linie durch die stetige Akkretion von kaltem Gas gewachsen ist", sagt Prochaska: "Eine der noch offenen Fragen ist jedoch, wie so eine beträchtliche Gasmasse zusammenkommen kann, ohne den relativ stabilen Zustand der rotierenden Scheibe zu stören".

Eine Galaxie wird nur dann durch ihre Absorption von Quasarlicht nachweisbar sein, wenn Beobachter, Galaxie und ferner Quasar zufällig genau auf einer Linie liegen. Solche Ausrichtungen sind bereits für sich genommen selten; wäre die Wolfe-Scheibe nun außerdem noch selbst ein ungewöhnliches, seltenes Objekt, würde dies die Unwahrscheinlichkeit der zufälligen Entdeckung noch einmal erheblich erhöhen. Deutlich wahrscheinlicher ist die Annahme, dass Galaxien wie die Wolfe-Scheibe im frühen Universum vergleichsweise häufig vorkommen.

"Dass wir die Wolfe-Scheibe mit dieser Methode gefunden haben, legt nahe, dass derartige Galaxien im frühen Universum recht häufig sein dürften", sagte Neeleman. "Als unsere neuesten Beobachtungen mit ALMA überraschenderweise zeigten, dass sie rotiert, zeigte uns das, dass rotierende Scheibengalaxien in dieser frühen Epoche nicht so selten sind, wie wir gedacht hatten, und dass es noch viel mehr von ihnen da draußen geben müsste." Auch diese Aussage hoffen die Astronomen überprüfen zu können, indem sie ihre Suche fortsetzen und weitere massereiche Scheibengalaxien im frühen Universum ausfindig machen.

Die Ergebnisse wurden jetzt in einem Fachartikel in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.