Wie sich riesige Galaxien im frühen Kosmos bildeten

Wie schon kurz nach dem Urknall massereiche, riesige Galaxien entstehen konnten, ist eines der großen Rätsel der Astronomie. Jetzt liefern Beobachtungen in einem frühen Galaxienhaufen erste Anhaltspunkte. Aufnahmen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile enthüllen Gasklumpen und Gezeitenstrukturen in diesen Protocluster, die auf eine turbulente Bildungsgeschichte hindeuten. Demnach entstanden die Galaxien des Haufens durch den Kollaps einer Vorläuferstruktur. Dies erzeugte Turbulenzen und Gezeitenkräfte, die eine Massenkarambolage in diesem Protocluster auslösen. Wenige hundert Millionen Jahre nach dem beobachteten Zustand könnte dieser Haufen demnach zu einer massereichen elliptischen Galaxien verschmelzen, wie die Astronomen berichten. Diese multiplen Verschmelzungen könnten erklären, wie frühe Galaxien so früh so groß werden konnten.

Es ist eines der großen Rätsel der Astronomie: In den letzten Jahrzehnten haben Astronomen immer wieder frühe Galaxien entdeckt, die massereicher und weiter entwickelt sind als erwartet. Denn eigentlich hatten diese Sternansammlungen seit dem Urknall und der Entstehung der ersten Sterne nicht genug Zeit, um so weit heranzuwachsen – zumindest nach den gängigen Modellen der Galaxienentwicklung. Unter den überraschenden Funden sind beispielsweise ein massereicher Milchstraßenzwilling, der schon eine Milliarde Jahre nach dem Urknall voll ausgereift war: Die Galaxie besitzt Spiralarme, eine große Sternenscheibe und einen zentralen Bulge mit alten Sternen. Noch älter sind frühe Galaxien, die schon 500 bis 700 Jahre nach dem Urknall existierten und ebenfalls schon zehn bis 100 Milliarden Sonnenmassen an Sternen umfassten. Auch frühe Formen von Galaxienhaufen haben Astronomen bereits im frühen Kosmos entdeckt. Wie all diese Strukturen so früh so schnell heranreifen konnte, ist bislang ungeklärt.

Protocluster, Gezeitenströme und eine “Perlenkette” aus Gasklumpen

Jetzt liefern Beobachtungen eines frühen Proto-Galaxienhaufens mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile neue Hinweise auf die Entstehung solcher frühen Riesen. Astronomen um Nikolaus Sulzenauer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn analysierten dafür die Radiosignaturen von kaltem Gas und Staub im Zentrum von SPT2349-56, einem Protocluster im südlichen Sternbild Phönix. Diese frühe Ansammlung von Galaxien existierte rund 1,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall und ist durch eine hohe Sternbildungsrate und eine enorme Masse an Gas in zwischen den Sternansammlungen gekennzeichnet. „Im Zentrum von SPT2349-56 fanden wir drei eng miteinander wechselwirkende Galaxien, die alle 40 Minuten einen Stern hervorbringen“, berichtet Co-Autor Ryley Hill von der University of British Columbia in Kanada. Zum Vergleich: Die Milchstraße produziert im Schnitt drei bis vier Sterne in einem ganzen Jahr.

Mithilfe der hochaufgelösten Radiodaten entdeckten die Astronomen eine überraschend komplexe Struktur im Umfeld der zentralen drei Galaxien. “Sie sind durch riesige, kohärente Ströme aus ionisiertem Kohlenstoff verbunden”, berichten sie. Diese spiralförmigen Gezeitenströme erstrecken sich über einen Bereich größer als die Milchstraße. Durch Schockwellen im Gas dieser Ströme wird der ionisierte Kohlenstoff angeregt und leuchtet daher im Radiowellenspektrum hell auf. Dank dieser hellen Emission konnte das Team die Bewegung des Gases präzise vermessen. Dies enthüllte dichte Gasklumpen, die wie in einer Perlenkette entlang dieser Gezeitenarme aufgereiht sind. “Zu unserer Überraschung sind die Klumpen mit 20 weiteren Galaxien verbunden, die sich in den Außenbereichen der Struktur befinden. Dies deutet auf einen gemeinsamen Ursprung hin”, sagt Sulzenauer. Die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung der Gezeitenströme und Gasklumpen legt nahe, dass sie alle aus dem Umfeld der zentralen drei Galaxien des Protoclusters stammen.

Erst Kollaps, dann multiple Verschmelzungen

Doch was verursachte diese starken Turbulenzen in diesem Proto-Galaxienhaufen? Mithilfe von Modellsimulationen entwickelten die Forschenden ein plausibles Szenario dafür. Demnach müssen die beobachteten Strukturen von SPT2349-56 auf einen “monolithischen Kollaps” einer dichten, massereichen Gaswolke zurückgehen. Ein solcher Kollaps löst eine Explosion der Sternbildung aus und erzeugt in kurzer Zeit mehrere massereiche Galaxien. “Die dynamische Reibung führt zu einer Auftrennung der Massen und die drei zentralen Galaxien wandern unter Energieverlust ins Zentrum des Halo”, erklärt das Team. Dieses Ereignis hinterlässt gewaltige Gasströme, lokale Gasklumpen und zahlreiche kleinere, gasreiche Galaxien im nahen Umfeld. Im Laufe der weiteren Entwicklung werden diese kleineren Galaxien jedoch nicht erhalten bleiben: “Die meisten der 40 gasreichen Galaxien in diesem Kern werden zerstört werden und schließlich in weniger als 300 Millionen Jahren eine einzige, riesige elliptische Galaxie bilden”, berichtet Sulzenauer. “Zum ersten Mal beobachten wir damit den Beginn einer kaskadenartigen Verschmelzung.”

(Video: Max-Planck-Gesellschaft)

Eine solche multiple Verschmelzung von kleineren Galaxien in frühen Proto-Galaxienhaufen könnte demnach erklären, wie in kurzer Zeit massereiche große Galaxien im frühen Kosmos entstehen konnten: Erst kollabiert ein riesiger Halo aus Gas und Staub zu Gasklumpen und Galaxien. Dann verschmelzen diese kleineren Galaxien in einer Massenkarambolage zu einer einzigen großen. “Anstatt langsam Masse anzusammeln, könnte eine massereiche elliptische Galaxie dadurch in nur wenigen hundert Millionen Jahren entstehen”, sagt Sulzenauer. Damit liefern die neuen Beobachtungen wertvolle Hinweise auf die Prozesse in den Anfängen des Universums. „Es ist vielleicht noch zu früh, um zu behaupten, dass wir die frühe Kindheit der riesigen elliptischen Galaxien vollständig verstehen”, betont Co-Autor Scott Chapman von der Dalhousie University in Kanada. “Wir sind jedoch schon weit gekommen, was die Verbindung zwischen den Gezeitenarmen in Protoclustern und dem Entstehungsprozess massereicher Galaxien in den heutigen Galaxienhaufen angeht.“

Quelle: Nikolaus Sulzenauer (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn) et al., The Astrophysical Journal, doi: 10.3847/1538-4357/ae2ff0

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar