VON INFORMATIONSDIENST WISSENSCHAFT  |  12.07.2012 09:36

Erster Blick auf dunkle Galaxien im jungen Universum

Wissenschaftlern ist es gelungen, sogenannte dunkle Galaxien zu beobachten.

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 hier vorgestellten 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, in dem die Studie vorgestellt wird. “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.” [1]

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 [2] 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. [3]

“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.

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 12 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. [4]

“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 Sebastiano 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.

Endnoten

[1] Fluoreszenz ist das selbständige Leuchten einer Substanz, die von einer anderen Lichtquelle beleuchtet wird. In den meisten Fällen hat das emittierte Licht dabei eine längere Wellenlänge als das einfallende Licht. Fluoreszierende Lampen beispielsweise wandeln für Menschen unsichtbare ultraviolette Strahlung in sichtbares Licht um. In einigen Materialien, zum Beispiel Gesteinen oder Mineralien, tritt natürliche Fluoreszenz auf. Fluoreszierende Substanzen werden häufig Waschmitteln beigemischt, um weiße Kleidungsstücke unter normalen Lichtverhältnissen heller erscheinen zu lassen (optische Aufheller oder Weißmacher).

[2] Quasare sind sehr helle, ferne Galaxien, deren Leuchten wahrscheinlich durch ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum angetrieben wird. Mit ihrer enormen Helligkeit sind die fernsten Quasare starke Leuchtfeuer, die ihre Umgebung aufhellen. Durch ihr Leuchten lässt sich das Zeitalter erkunden, in dem sich die erste Sterne und Galaxien aus primordialem Gas gebildet haben.

[3] Diese Strahlung heißt Lyman-alpha-Strahlung. Sie entsteht, wenn Elektronen in Wasserstoffatomen vom ersten angeregten Zustand in den Grundzustand wechseln. Die ursprüngliche Wellenlänge der Lyman-alpha-Linie liegt im Ultravioletten. Durch die Expansion des Universums verlängert sich die Wellenlänge auf dem Weg zu uns und je länger das Licht zu uns unterwegs war, desto stärker ist seine Wellenlänge verschoben, wenn es uns schließlich erreicht. Da rotes Licht den längsten Wellenlängen entspricht, die noch für das menschliche Auge zu erkennen sind, handelt es sich für alles Licht, das wir sehen können, um eine Verschiebung zum roten Ende des Spektrums hin: daher der Name Rotverschiebung. Licht des Quasars HE 0109-3518 erleidet eine Rotverschiebung von z = 2,4. Bei diesem Wert ist das ultraviolette Licht der dunklen Galaxien bereits in den Bereich des sichtbaren Lichts verschoben, wenn es uns erreicht. Mit einem Schmalbandfilter, der speziell für die Messung der entsprechenden Wellenlänge bei 414,5 Nanometern (das entspricht einem violetten Farbton) mit einer Bandbreite von nur 4 Nanometern entwickelt wurde, gelingt es, mit z= 2,4 rotverschobene Lyman-alpha-Strahlung nachzuweisen

[4] Das Maß für die Effizienz der Sternentstehung ist das Verhältnis der Masse neu gebildeter Sterne zu der für die Sternentstehung verfügbaren Gasmasse. Die Astronomen stellten fest, dass die dunklen Galaxien mehr als 100 Milliarden Jahre benötigen werden, um ihr gesamtes Gas in Sterne umzusetzen. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit den neuesten theoretischen Modellen, die vorhersagen, dass gasreiche, massearme Halos bei hoher Rotverschiebung aufgrund des geringen Metallgehalts sehr ineffizient bei der Bildung von Sternen sein könnten.

Zusatzinformationen

Der FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph (kurz FORS, wörtlich "Brennweitenreduzierer und niedrigauflösender Spektrograf") ist das vielseitigste Instrument des Very Large Telescope. Die Kombination aus astronomischer Kamera und Spektrograf wurde gemeinsam von den Universitätssternwarten in Heidelberg, Göttingen und München und der ESO entwickelt und gebaut.

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse von Cantalupo et al. erscheinen demnächst unter dem Titel “Detection of dark galaxies and circum-galactic filaments fluorescently illuminated by a quasar at z=2.4” in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Die beteiligten Wissenschaftler sind Sebastiano Cantalupo (University of California, Santa Cruz, USA), Simon J. Lilly (ETH Zürich, Schweiz) und Martin G. Haehnelt (Kavli Institute for Cosmology, Cambridge, Großbritannien).

Im Jahr 2012 feiert die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) das 50-jährige Jubiläum ihrer Gründung. Die ESO ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 15 Mitgliedsländer: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO ein Großteleskop der 40-Meter-Klasse für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird, das European Extremely Large Telescope (E-ELT).

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren Ländern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.