Noch immer hält die frühe Phase des Universums einige Rätsel bereit. Mit einigen Erkenntnisse müssen wir aber nicht auf das am Samstag gestartete James-Webb-Weltraumteleskop warten. Vor eineinhalb Jahren wurde beispielsweise eine Galaxie entdeckt, die im Universumsalter von 1,4 Milliarden Jahren einige Eigenschaften mit unserer Milchstraße teilte.
Nun entdeckte ein Forschungsteam mit österreichischer Beteiligung eine Galaxie, deren kalte Gase ähnliche physikalische Eigenschaften wie die Milchstraße aufweisen. Dieser "Milchstraßen-Zwilling" verdeutlicht, dass es schon im frühen Universum Galaxien gab, deren Sternbildung ähnlich wie bei uns aussah, berichtet das Team im Fachblatt "Astrophysical Journal Letters".
Eine zentrale Frage der Astrophysik ist die Sternentstehung. Dabei kollabiert eine kalte Wolke aus Gas und Staub unter ihrer eigenen Schwerkraft, wodurch sich Druck und Temperatur im Inneren der Wolke erhöhen, bis der darin enthaltene Wasserstoff zu Helium verschmilzt und durch diese Kernfusion Energie freigesetzt wird. Bisherige Beobachtungen deuteten darauf hin, dass Galaxien im frühen Universum Sterne auf eine andere Art und Weise gebildet haben als in unserer Galaxie, was Fachleute vor ein Rätsel stellt.
Gasanalyse durch Radioteleskope
Um diese Frage zu klären, beobachtete das Forschungsteam um Nikolaus Sulzenauer vom Institut für Astrophysik der Universität Wien kaltes molekulares Gas, den Treibstoff für die Sternentstehung, mit Radioteleskopen. Sie nutzten dazu kombinierte Daten verschiedener spanischer Radioteleskope. Molekularer Wasserstoff lässt sich im Radiobereich nicht direkt beobachten, man kann das Gas aber über die Beobachtung von Kohlenmonoxid aufspüren.
Die Vorarbeit zu diesem Projekt hat Sulzenauer bereits in seiner Masterarbeit bei Co-Autor Helmut Dannerbauer vom kanarischen Institut für Astrophysik beschrieben. Nunmehr am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, wird er die Charakterisierung von kaltem Gas in entfernten Galaxien im Rahmen seiner Doktorarbeit fortsetzen.
Kosmisches Seepferdchen
Das Forschungsteam wählte dazu eine Galaxie aus, deren Helligkeit durch die Gravitationslinse eines dazwischenliegenden Galaxienhaufens verstärkt wird. Bei diesem Effekt macht man sich die Tatsache zunutze, dass sehr massereiche kosmische Objekte mit ihrem Gravitationsfeld das Licht eines dahinterliegenden Objekts krümmen, was wie eine Lupe wirkt. "Die so entdeckte Galaxie wird durch diesen Effekt stark in ihrer Form verzerrt und ähnelt einem Seepferdchen", sagt Sulzenauer.
Mithilfe des 30-Meter-Radioteleskop des Instituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM) in der Sierra Nevada ermittelten sie die Entfernung des "kosmischen Seepferdchens", so der Spitzname der Galaxie: Ihr Licht hat bereits 9,6 Milliarden Jahre zurückgelegt. Zusammen mit Beobachtungen mit einem weiteren 40-Meter-Radioteleskop in der Nähe von Madrid konnten sie auch die physikalischen Eigenschaften des Treibstoffs für die Sternenentstehung bestimmen. "Der Gravitationslinseneffekt verwandelt die beiden Teleskope in Instrumente mit 300 bzw. 400 Meter großen Schüsseln – was sich in der Realität unmöglich konstruieren ließe", sagt Dannerbauer.
Mechanismen der Sternengeburt
Die Analyse des kalten molekularen Gases offenbarte bisher unbekannte Mechanismen für die Geburt von Sternen zu einer Zeit, als die Sternentstehung im Universum ihren Höhepunkt erreicht hat. Die Anregung des molekularen Gases, die von der Temperatur und Gasdichte abhängt, ist in der Seepferdchen-Galaxie ähnlich zur Milchstraße – und damit sind auch die Bedingungen und die Effizienz zur Bildung von Sternen sehr ähnlich.
"Wir konnten zeigen, dass es sich um eine sogenannte Hauptreihengalaxie mit einer sich langsam entwickelnden Sternentstehung handelt", sagt Co-Autor Bodo Ziegler von der Uni Wien. Auch die Milchstraße fällt in diese Galaxien-Kategorie. (APA, red, 27.12.2021)