Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO.

Etwa 450 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt befindet sich die im Sternbild Stier (lateinischer Name „Taurus“) gelegene Taurus-Molekülwolke. Eine am 15. Februar 2012 von der Europäischen Südsternwarte (ESO) veröffentlichte Aufnahme zeigt zwei Bereiche einer langgezogenen, filamentartigen Struktur im Inneren dieser Molekülwolke, welche von den Astronomen auch als „Barnard 211“ und „Barnard 213“ bezeichnet werden. Der Namensgeber dieser beiden Objekte war der US-amerikanische Astronom Edward Emerson Barnard, welcher Anfang des 20. Jahrhunderts einen Katalog der in unserer Galaxie befindlichen Dunkelwolken erstellte.

Als Dunkelwolken oder Dunkelnebel bezeichnen Astronomen ausgedehnte Wolken interstellarer Materie. Die winzigen Partikel, aus denen sich solche Materiewolken zusammensetzen, absorbieren sichtbares Licht und versperren dem irdischen Beobachter so den Blick auf die hinter den Wolken gelegenen Sterne und Galaxien. Dies hat zur Folge, dass die betreffenden Himmelsregionen im sichtbaren Licht als dunkle Gebiete erscheinen, welche weitestgehend frei von Sternen sind. Barnard konnte die Natur dieser dunklen Regionen am Nachthimmel zusammen mit dem deutschen Astronomen Maximilian Wolf entschlüsseln.

Die Taurus-Molekülwolke präsentiert sich im sichtbaren Licht als eine besonders dunkle Region, da in ihrer näheren Umgebung keine massereichen Sterne existieren. Wäre dies der Fall, so würden diese Sterne den Nebel zum Leuchten anregen, wie dies zum Beispiel bei dem im Sternbild Orion gelegenen Emissionsnebel M 42 – besser bekannt unter der Bezeichnung Orionnebel – der Fall ist.

Solche Wolken aus Gas und Staub stellen allerdings nicht nur ein Hindernis für die Beobachtung der dahinter liegenden astronomischen Objekte dar. Vielmehr handelt es sich bei ihnen auch um die Geburtsstätten neuer Sterne. Sobald die Molekülwolken unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren, teilen sie sich in verschiedene kleinere Fragmente auf. In diesen Fragmenten kann sich die Materie anschließend immer weiter konzentrieren, bis das darin enthaltene Wasserstoffgas schließlich so weit komprimiert und aufgeheizt wird, dass die Fusion von Wasserstoff zu Helium, das sogenannte Wasserstoffbrennen, einsetzt und ein neuer Stern entsteht. Mit einer Entfernung von rund 450 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem handelt es sich bei der Taurus-Molekülwolke um eines der nächstgelegenen Sternentstehungsgebiete in unserer kosmischen Nachbarschaft.

Ein neu entstandener Stern ist allerdings zunächst noch von einem dichten Kokon aus Staub und Gas umgeben, welcher eine Beobachtung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts unmöglich macht. Für die Beobachtung der im Inneren der Dunkelwolken ablaufenden Prozesse müssen Astronomen deshalb auf den Bereich der Millimeter- und Submillimeter-Wellenlängen ausweichen. Eines der Instrumente, welches dazu eingesetzt werden kann, ist die LABOCA-Kamera am Atacama Pathfinder Experiment (APEX), das sich auf dem 5.000 Meter über dem Meeresspiegel gelegenen Chajnantor-Plateau in den chilenischen Anden befindet.

Der obere rechte Bereich des hier gezeigten gewundenen Filaments wird als Barnard 211 bezeichnet. Bei dem untere linken Bereich handelt es sich um Barnard 213. Die gesamte Struktur verfügt über eine Ausdehnung von mehr als 10 Lichtjahren. Die Beobachtungsdaten der LABOCA-Kamera, welche die Wärmestrahlung der in der Wolke enthaltenen Staubpartikel wiedergeben, sind in diesem Bild in Orangetönen dargestellt und einer im sichtbaren Licht angefertigten Aufnahme überlagert, die den Sternenreichtum der gesamten Himmelsregion vermittelt.

Bei dem hellen Stern in der linken Bildhälfte handelt es sich um Phi Tauri, welcher über eine scheinbare Helligkeit von 4,97 mag verfügt. Links davon befindet sich – direkt am Bildrand nur zur Hälfte erkennbar – der Stern HD 27482. Beide Sterne liegen näher an der Erde als das Filament und stehen in keiner Verbindung zu der Dunkelwolke.

Die bisherigen Beobachtungen der Struktur haben gezeigt, dass sich Barnard 213 bereits in einzelne Fragmente geteilt und dabei dichte Kerne ausgebildet hat. Die drei hell leuchtenden Staubkonzentrationen sind ein Hinweis darauf, dass sich im Inneren der Kerne sogar bereits erste Sterne gebildet haben.

Barnard 211 dagegen befindet sich noch in einem früheren Entwicklungsstadium, bei dem erst noch der Kollaps und die anschließende Unterteilung in einzelne Fragmente erfolgen muss. Aber auch hier werden in Zukunft neue Sterne entstehen. Die Beobachtung dieser Himmelsregion eignet sich somit hervorragend, um weitere Erkenntnisse darüber zu erlangen, welche Rolle Dunkelwolken bei der Entstehung einer neuen Sternengeneration spielen.

Die hier kurz vorgestellten Beobachtungen wurden von einem Astronomenteam unter der Leitung von Alvaro Hacar vom Observatorio Astronómico Nacional-IGN durchgeführt. Bei dem 12 Meter durchmessenden APEX-Teleskop handelt es sich nicht nur um ein eigenständiges Beobachtungsinstrument, sondern vielmehr auch um einen technologischen Wegbereiter für das ALMA-Teleskop der Europäischen Südsternwarte, so die Abkürzung für das „Atacama Large Millimeter/submillimeter Array“. ALMA ist ein neuartiges Verbundteleskop, welches die ESO gegenwärtig in Zusammenarbeit mit verschiedenen internationalen Partnern auf dem Chajnantor-Plateau errichtet und betreibt.

Das APEX basiert auf dem Prototypen einer Antenne für das ALMA-Projekt, welches nach seiner Fertigstellung aus 54 solcher Antennen mit 12 Metern Durchmesser und zusätzlichen 12 Antennen mit 7 Metern Durchmesser bestehen wird. ALMA wird über ein ungleich höheres Auflösungsvermögen als das APEX verfügen. Allerdings wird dafür auch das Gesichtsfeld von ALMA deutlich kleiner ausfallen. Die beiden Teleskope werden sich daher nahezu perfekt ergänzen. APEX, so die Erwartung der Astronomen, wird viele interessante Beobachtungsziele entdecken, welche anschließend durch ALMA im Detail untersucht werden können.

Das APEX-Teleskop ist ein Gemeinschaftsprojekt des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR), des Weltraumobservatoriums Onsala (Onsala Space Observatory OSO) und der ESO, welche auch für den Betrieb des Teleskops verantwortlich ist. ALMA dagegen ist eine internationale Einrichtung, welche von verschiedenen Instituten aus Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Bei der Entwicklung, dem Aufbau und dem Betrieb des Observatoriums ist die ESO zuständig für den europäischen Beitrag, das National Astronomical Observatory of Japan für den Beitrag Ostasiens und das National Radio Astronomy Observatory der USA für den nordamerikanischen Beitrag. Das Joint ALMA Observatory ist für die übergreifende Projektleitung – für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb – von ALMA zuständig.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO.

Die Sternentstehungsrate war demzufolge im frühen Universum ursprünglich sehr hoch und nahm dann schlagartig ab. Zeugnisse dieser Zeit sind die noch heute zu beobachteten massereichen und weitgehend inaktiven Galaxien im Universum, welche eine Vielzahl an alternden Sternen beherbergen. Die Astronomen glauben auch, die wahrscheinliche Ursache für das plötzliche Ende der frühen Sternbildungs-Ära gefunden zu haben. Nach ihrer Meinung ist hierfür das Auftreten von massereichen Schwarzen Löcher verantwortlich.

Für ihre Forschungsarbeiten kombinierten die Wissenschaftler verschiedene Datensätze der LABOCA-Kamera am 12-Meter-Submillimeterteleskop APEX (Atacama Pathfinder Experiment) mit den Messdaten des Very Large Telescope (VLT) der ESO, des Infrarot-Weltraumteleskops Spitzer und anderer Teleskopen, um zu entschlüsseln, wie sich weit entfernte und leuchtkräftige Galaxien zu Galaxienhaufen zusammengefunden haben.

Je dichter die einzelnen Galaxien in Galaxiengruppen konzentriert sind, desto massereicher fallen ihre so genannten „Halos“ aus Dunkler Materie aus. Hierbei handelt es sich um weitgehend strukturlose Wolken, welche die Galaxien durchziehen beziehungsweise umschließen und die für den überwiegenden Teil ihrer Gesamtmasse verantwortlich sind. Die Dunkle Materie setzt sich aus einem unsichtbaren Material zusammen, dessen nähere Eigenschaften derzeit noch unbekannt sind. Die Entschlüsselung der Natur der Dunklen Materie gilt als eine der wichtigsten offenen Fragen der Kosmologie.

Die von dem Astronomenteam um Ryan Hickox, tätig am Dartmouth College (USA) und der Durham University (England), beobachteten Galaxien sind so weit von der Erde entfernt, dass ihr Licht etwa zehn Milliarden Jahre benötigt hat, um unser Sonnensystem zu erreichen. Es handelt sich hierbei um sehr leuchtkräftige Galaxien im fernen Universum, in denen in der Vergangenheit intensive Sternentstehungsprozesse abliefen. Aufgrund der extrem großen Entfernungen wurde das infrarote Licht, welches von den durch die Sternbildungsprozessen aufgeheizten Staubkörnern in den Galaxien abgegeben wurde, zu noch größeren Wellenlängen hin in den Rotbereich verschoben. Daher sind diese staubreichen Galaxien am besten im Submillimeterbereich zu beobachten, weshalb solche Galaxien auch als Submillimeter-Galaxien bezeichnet werden. Die neuen Resultate beruhen auf den genauesten je durchgeführten Messungen zur räumlichen Anordnung solcher Galaxien.

Die von den Astronomen untersuchten Galaxien präsentieren sich dem irdischen Beobachter in dem Zustand, in dem sie sich vor rund zehn Milliarden Jahren befanden. In diesen Momentaufnahmen unseres frühen Universums ist zu erkennen, dass die Galaxien damals die intensivste der Wissenschaft bekannte Form der Sternbildung durchliefen – so genannte Starbursts. Die Astronomen ermittelten für die untersuchten Galaxien die Masse der Halos aus Dunkler Materie und analysierten mit Computersimulationen, wie diese Halos im Laufe der Zeit angewachsen sind. Auf diese Weise fanden sie heraus, dass sich die fernen Starburst-Galaxien des frühen Universums im Laufe der Zeit zu riesigen elliptischen Galaxien entwickelt haben – den massereichsten Galaxien im heutigen Universum.

„Zum ersten Mal sind wir jetzt in der Lage, eine eindeutige Verbindung zwischen den intensivsten Starbursts im frühen Universum und den massereichsten in der Gegenwart bekannten Galaxien nachzuweisen“, so Ryan Hickox. Die Beobachtungen zeigen außerdem, dass die Starbursts in diesen fernen Galaxien lediglich 100 Millionen Jahre angedauert haben – eine in kosmologische Maßstäben betrachtet relativ kurze Zeitspanne (nach dem gegenwärtig allgemein gängigen Modell zur Entstehung des Universums ereignete sich der Urknall bereits vor etwa 13,7 Milliarden Jahren). Dennoch hat sich die Gesamtmasse der Sterne innerhalb der Galaxien in diesem vergleichsweise kurzen Zeitraum etwa verdoppelt. Das plötzliche Ende des schnellen Wachstums ist ein weiterer Abschnitt aus der Geschichte des Universums, welcher bisher von den Astrophysikern allerdings noch nicht vollständig verstanden werden konnte.

„Wir wissen, dass die massereichen elliptischen Galaxien bereits vor langer Zeit vergleichsweise plötzlich aufgehört haben, neue Sterne zu produzieren. Heute sind diese Galaxien weitgehend inaktiv. Die sich daraus ergebende Frage ist natürlich, welcher in der Vergangenheit abgelaufene Prozess stark genug gewesen sein könnte, um den Starburst einer ganzen Galaxie zu beenden“, so Julie Wardlow von der University of California in Irvine (USA) und von der Durham University (England), ein weiteres Mitglied des Astronomenteams.

Auch hierfür bietet die Studie einen möglichen Erklärungsansatz. Zum fraglichen Zeitpunkt der Entwicklung des Universums sind die Galaxien ähnlich angeordnet wie die Quasare. Dies ist ein Hinweis darauf, dass sich beide Objektarten zu diesem Zeitpunkt in den gleichen Halos aus Dunkler Materie befanden. Quasare gehören zu den leuchtkräftigsten Objekten im Universum. Angetrieben von den supermassereichen Schwarzen Löchern in ihren Zentren senden sie als regelrechte „kosmische Leuchtfeuer“ eine intensive Strahlung aus.

Durch die Studie verdichten sich die Hinweise darauf, dass die erfolgten Starbursts die Aktivitäten der Quasare gefördert haben, indem sie den Schwarzen Löchern große Mengen an Materie zugeführt haben. Die Quasare wiederum durchliefen dadurch sehr energiereiche Aktivitätsphasen, in deren Verlauf sie das verbliebene Gas aus den Galaxien hinausbliesen. Mit dem Verlust dieses „Rohmaterials“ für die Bildung neuer Sterne wurde auch die Phase einer intensiven Sternentstehung innerhalb der Galaxien beendet.

„Kurz gesagt läutet eine Starburst-Galaxie mit ihrem Feuerwerk der Sternbildung gleichzeitig auch ihr eigenes Ende ein. Sie „füttert“ das Schwarze Loch in ihrem Zentrum, welches dann wiederum die sternbildenden Wolken wegbläst oder zerstört”, so David Alexander von der Durham University in England, ein weiteres Mitglied des Teams.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden am 26. Januar 2012 unter dem Titel „The LABOCA Survey of the Extended Chandra Deep Field South: Clustering of submillimetre galaxies“ in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society publiziert.

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Fachartikel:

• The LABOCA Survey of the Extended Chandra Deep Field South: Clustering of submillimetre galaxies (engl.)

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