Galaxien haben nach neuen Beobachtungen schon viel früher in der kosmischen Geschichte heftige Sternentstehungsschübe erlebt als bisher angenommen.
Diese so genannten Starburst-Galaxien produzieren Sterne mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit - das entspricht tausend neuen Sonnen pro Jahr. Jetzt haben die Astronomen Sternexplosionen gefunden, die Sterne hervorbrachten, als das Universum erst eine Milliarde Jahre alt war. Bisher wussten die Astronomen nicht, ob Galaxien so frühzeitig Sterne mit so hohen Raten bilden können.
Die Entdeckung ermöglicht es Astronomen, die frühesten Ausbrüche der Sternentstehung zu untersuchen und ihr Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Galaxien zu vertiefen. Das Team beschreibt seine Ergebnisse in einem Artikel, der am 13. März online in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, sowie in zwei weiteren Artikeln, die zur Veröffentlichung im Astrophysical Journal zugelassen wurden.
Lichtstrahlen von einer entfernten Galaxie werden aufgrund der Schwerkraft einer massiven Galaxie im Vordergrund abgelenkt, wie von Einsteins Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Dies lässt die Hintergrundgalaxie als mehrfach vergrößerte Bilder erscheinen, die die Vordergrundgalaxie umgeben. Bildnachweis: ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.
Diese neu entdeckten Galaxien, die mit der Energie von über hundert Billionen Sonnen leuchten, repräsentieren, wie die massereichsten Galaxien in unserer kosmischen Nachbarschaft in ihrer sternenerzeugenden Jugend aussahen. "Ich finde das ziemlich erstaunlich", sagt Joaquin Vieira, Postdoktorand bei Caltech und Studienleiter. "Dies sind keine normalen Galaxien. Als das Universum noch sehr jung war, bildeten sie mit außergewöhnlicher Geschwindigkeit Sterne. Wir waren sehr überrascht, Galaxien wie diese so früh in der Geschichte des Universums zu finden. “
Die Astronomen fanden Dutzende dieser Galaxien mit dem Südpol-Teleskop (South Pole Telescope, SPT), einer 10-Meter-Schale in der Antarktis, die den Himmel in Licht mit Millimeterwellenlänge überblickt - zwischen Radiowellen und Infrarot im elektromagnetischen Spektrum. Das Team hat dann mit dem neuen Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in der chilenischen Atacama-Wüste einen genaueren Blick darauf geworfen.
Die neuen Beobachtungen repräsentieren laut Vieira einige der wichtigsten wissenschaftlichen Ergebnisse von ALMA. "Ohne die Kombination von SPT und ALMA hätten wir das nicht geschafft", fügt er hinzu. "ALMA ist so sensibel, dass es unsere Sicht auf das Universum auf viele verschiedene Arten verändern wird."
Die Astronomen verwendeten nur die ersten 16 der 66 Schalen, aus denen schließlich ALMA hervorgeht. Dies ist bereits das leistungsstärkste Teleskop, das jemals für die Beobachtung von Wellenlängen im Millimeter- und Submillimeterbereich gebaut wurde.
Mit ALMA stellten die Astronomen fest, dass mehr als 30 Prozent der Starburst-Galaxien aus einem Zeitraum stammen, der nur 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall liegt. Bisher waren nur neun solcher Galaxien bekannt, und es war nicht klar, ob Galaxien so früh in der kosmischen Geschichte Sterne mit so hohen Raten hervorbringen konnten. Mit den neuen Entdeckungen hat sich die Anzahl solcher Galaxien nahezu verdoppelt und liefert wertvolle Daten, mit denen andere Forscher theoretische Modelle der Stern- und Galaxienbildung im frühen Universum einschränken und verfeinern können.
Eine der von SPT entdeckten Quellen, die von ALMA und dem Hubble Space Telescope (HST) beobachtet wurden. Die massive Zentralgalaxie (blau, von HST aus gesehen) lenkt das Licht einer weiter entfernten Galaxie, die im Submillimeterbereich hell ist, um ein ringförmiges Bild der Hintergrundgalaxie zu erhalten, das von ALMA (rot) beobachtet wird.
Bildnachweis: ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), J. Vieira et al.
Das Besondere an den neuen Erkenntnissen ist laut Vieira, dass das Team die kosmische Entfernung zu diesen staubigen Starburst-Galaxien durch direkte Analyse des sternförmigen Staubes selbst bestimmt hat. Bisher mussten sich Astronomen auf eine umständliche Kombination aus indirekten optischen und Funkbeobachtungen mit mehreren Teleskopen stützen, um die Galaxien zu untersuchen. Aber aufgrund der beispiellosen Sensibilität von ALMA konnten Vieira und seine Kollegen ihre Entfernungsmessungen in einem Schritt durchführen, sagt er. Die neu gemessenen Entfernungen sind daher zuverlässiger und liefern die bisher sauberste Probe dieser fernen Galaxien.
Die Messungen wurden auch aufgrund der einzigartigen Eigenschaften dieser Objekte ermöglicht, sagen die Astronomen. Zum einen wurden die beobachteten Galaxien ausgewählt, weil sie durch Gravitation gesichtet werden konnten - ein von Einstein vorhergesagtes Phänomen, bei dem eine andere Galaxie im Vordergrund das Licht der Hintergrundgalaxie wie eine Lupe biegt. Dieser Linseneffekt lässt Hintergrundgalaxien heller erscheinen, wodurch sich die für ihre Beobachtung erforderliche Teleskopzeit um das 100-fache verringert.
Eine der von SPT entdeckten Quellen, die von ALMA und dem Hubble Space Telescope (HST) beobachtet wurden. Die massive Zentralgalaxie (blau, von HST aus gesehen) lenkt das Licht einer weiter entfernten Galaxie, die im Submillimeterbereich hell ist, um ein ringförmiges Bild der Hintergrundgalaxie zu erhalten, das von ALMA (rot) beobachtet wird.
Bildnachweis: ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), J. Vieira et al.
Zweitens nutzten die Astronomen eine zufällige Eigenschaft in den Spektren dieser Galaxien - das ist der Regenbogen des Lichts, das sie aussenden -, die sogenannte „negative K-Korrektur“. Normalerweise erscheinen Galaxien mit zunehmendem Abstand schwächer - genauso wie eine Glühbirne erscheint schwächer, je weiter es entfernt ist. Es stellt sich jedoch heraus, dass das expandierende Universum die Spektren so verschiebt, dass Licht in Millimeterwellenlängen in größeren Entfernungen nicht dunkler erscheint. Infolgedessen erscheinen die Galaxien in diesen Wellenlängen genauso hell, egal wie weit sie entfernt sind - wie eine magische Glühbirne, die genauso hell erscheint, egal wie weit sie entfernt ist.
"Für mich sind diese Ergebnisse wirklich aufregend, da sie die Erwartung bestätigen, dass ALMA, wenn es vollständig verfügbar ist, Astronomen wirklich die Möglichkeit bietet, die Sternentstehung bis an den Rand des beobachtbaren Universums zu untersuchen", sagt Fred Lo war kein Teilnehmer an der Studie, war kürzlich ein Moore Distinguished Scholar bei Caltech. Lo ist ein angesehener Astronom und emeritierter Direktor am National Radio Astronomy Observatory, dem nordamerikanischen Partner von ALMA.
Durch Beobachtung des Gravitationslinseneffekts können Astronomen die dunkle Materie - die mysteriöse unsichtbare Masse, die fast ein Viertel des Universums ausmacht - in den Vordergrundgalaxien abbilden. „Hochauflösende Karten der Dunklen Materie zu erstellen, ist eine der zukünftigen Richtungen dieser Arbeit, die ich für besonders cool halte“, sagt Vieira.
Diese Ergebnisse stellen nur etwa ein Viertel der Gesamtzahl der Quellen dar, die Vieira und seine Kollegen vom SPT entdeckt haben, und sie gehen davon aus, dass sie weitere entfernte, staubige Starburst-Galaxien finden werden, wenn sie ihren Datensatz weiter analysieren. Das ultimative Ziel für Astronomen, so Lo, ist es, Galaxien bei allen Wellenlängen in der gesamten Geschichte des Universums zu beobachten und die vollständige Geschichte der Entstehung und Entwicklung von Galaxien zusammenzufassen. Bisher haben Astronomen große Fortschritte bei der Erstellung von Computermodellen und Simulationen der frühen Galaxienbildung erzielt, sagt er. Aber nur mit Daten - wie diesen neuen Galaxien - können wir die kosmische Geschichte jemals wirklich zusammenfügen. "Simulationen sind Simulationen", sagt er. "Was wirklich zählt, ist was Sie sehen."
Künstlerische Darstellung einer von SPT entdeckten Quelle basierend auf Beobachtungen von ALMA und dem Hubble-Weltraumteleskop (HST). Die massive Zentralgalaxie (blau, von HST aus gesehen) lenkt das Licht einer weiter entfernten Galaxie, die im Submillimeterbereich hell ist, um ein ringförmiges Bild der Hintergrundgalaxie zu erhalten, das von ALMA (rot) beobachtet wird. Bildnachweis: Y. Hezaveh
Neben Vieira sind Jamie Bock, Professor für Physik, die anderen Caltech-Autoren des Nature-Papers. Matt Bradford, Gastassistent in Physik; Martin Lueker-Boden, Postdoktorand für Physik; Stephen Padin, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Astrophysik; Erik Shirokoff, Postdoktorand für Astrophysik am Keck-Institut für Weltraumforschung; und Zachary Staniszewski, ein Besucher der Physik. Es gibt insgesamt 70 Autoren auf dem Papier mit dem Titel "Hochrotverschobene, staubige Starburst-Galaxien, die durch Gravitationslinsen sichtbar gemacht wurden". Diese Forschung wurde von der National Science Foundation, der Kavli Foundation, der Gordon and Betty Moore Foundation finanziert. Die NASA, der kanadische Forschungsrat für Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften, das kanadische Forschungsprofessurprogramm und das kanadische Institut für fortgeschrittene Forschung.
Die Arbeit zur Messung der Abstände zu den Galaxien ist in der astrophysikalischen Zeitschrift „ALMA-Rotverschiebungen millimeterausgewählter Galaxien aus der SPT-Vermessung: Die Rotverschiebungsverteilung staubsternbildender Galaxien“ von Axel Weiss vom Max-Planck-Institut beschrieben für Radioastronomie und andere. Das Studium der Gravitationslinsen wird in der Zeitschrift Astrophysical Journal "ALMA Observations of strong lensed Dusty Star-Forming Galaxies" von Yashar Hezaveh von der McGill University und anderen beschrieben.
ALMA, eine internationale Astronomieeinrichtung, ist eine Partnerschaft von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. Der Bau und Betrieb von ALMA wird im Auftrag von Europa von der Organisation European Southern Observatory (ESO), im Auftrag von Nordamerika vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO) und im Auftrag von Ostasien vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) geleitet ). Das Joint ALMA Observatory (JAO) bietet die einheitliche Leitung und Verwaltung des Baus, der Inbetriebnahme und des Betriebs von ALMA.
Das Südpolteleskop (SPT) ist ein 10-Meter-Teleskop, das sich an der Amundsen-Scott-Südpolstation der National Science Foundation (NSF) befindet und einen Kilometer vom geografischen Südpol entfernt liegt. Das SPT ist für rauscharme, hochauflösende Himmelsmessungen bei Millimeter- und Submillimeterwellenlängen ausgelegt, mit dem besonderen Entwurfsziel, Ultraschallmessungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) durchzuführen. Die erste große Vermessung mit dem SPT wurde im Oktober 2011 abgeschlossen und erfasst 2.500 Quadratgrad des südlichen Himmels in drei Millimeterwellen-Beobachtungsbändern. Dies ist der tiefste vorhandene Datensatz für große Millimeterwellen und hat bereits zu vielen bahnbrechenden wissenschaftlichen Ergebnissen geführt, darunter der erste Nachweis von Galaxienhaufen durch ihre Sunyaev-Zel'dovich-Effektsignatur, die bisher empfindlichste Messung des kleinen CMB Leistungsspektrum und die Entdeckung einer Population ultraheller, hochrotverschobener, sternbildender Galaxien. Das SPT wird in erster Linie von der Abteilung für Polarprogramme der NSF-Direktion für Geowissenschaften finanziert. Teilweise Unterstützung leistet auch das Kavli-Institut für kosmologische Physik (KICP), ein von der NSF finanziertes Physics Frontier Center; die Kavli-Stiftung; und die Gordon and Betty Moore Foundation. Die SPT-Kooperation wird von der University of Chicago geleitet und umfasst Forschungsgruppen am Argonne National Laboratory, dem California Institute of Technology, der Cardiff University, der Case Western Reserve University, der Harvard University, der Ludwig-Maximilians-Universität, dem Smithsonian Astrophysical Observatory und der McGill University. die University of Arizona, die University of California in Berkeley, die University of California in Davis, die University of Colorado in Boulder und die University of Michigan sowie einzelne Wissenschaftler an mehreren anderen Institutionen, darunter das European Southern Observatory und das Max -Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn.
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