Pressemitteilung

Der bislang beste Blick auf verschmelzende Galaxien im frühen Universum

ALMA greift zu den Methoden von Sherlock Holmes

26. August 2014

Ein internationales Astronomenteam hat mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und vielen weiteren bodengbundenen und satellitenbasierten Teleskopen die bislang besten Aufnahmen einer Kollision zweier Galaxien gewinnen können, die zu einem Zeitpunkt stattfand, als das Universum nur halb so alt war wie heute. Als Hilfsmittel nutzten sie dabei eine galaxiengroße Lupe - nur so konnten ansonsten nicht mehr erkennbare Details sichtbar gemacht werden. Die so angestellten Untersuchungen der Galaxie H-ATLAS J142935.3-002836 haben gezeigt, dass dieses komplexe, weit entfernte Objekt einer wohlbekannten Galaxienkollision ähnelt, die gerade in unserer kosmischen Nachbarschaft abläuft: die der Antennengalaxien.

Schon der berühmte fiktive Detektiv Sherlock Holmes konnte mit einer Lupe kaum zu erkennende, aber wichtige Hinweise für die Lösung seiner Kriminalfälle auffinden. Astronomen haben nun die Kräfte von vielen Teleskopen auf der Erde und im Weltall [1] und einer gigantischen kosmischen Lupe miteinander vereint, um einen Fall von starker Sternentstehung im frühen Universum zu untersuchen.

“Meistens ist das was wir Astronomen erreichen können durch die Leistungsfähigkeit unserer Teleskope begrenzt, aber manchmal lassen sich unsere Möglichkeiten Details zu erkennen von solchen natürlichen Lupen, wie sie das Universum selbst erzeugt, enorm verstärken”, erlärt Hugo Messias von der Universidad de Concepción in Chile und vom Centro de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Lisboa in Portugal, der Erstautor der Studie, in der über die Ergebnisse berichtet wird. “Aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie folgt, dass Licht sich nicht geradlinig ausbreitet, sondern ähnlich wie in einer Linse abgelenkt wird, wenn genügend Masse in Form von Materie im Weg liegt.”

Derartige kosmische Linsen werden von massereichen Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen gebildet. Sie lenken das Licht dahinterliegender Objekte durch ihre starke Schwerkraft ab, dies nennt man den Gravitationslinseneffekt. Der Verstärkungseffekt einer solchen Gravitationslinse ermöglicht es den Astronomen, Objekte zu untersuchen, die sonst nicht sichtbar wären und so zum Beispiel Galaxien aus unserer kosmischen Nachbarschaft mit weit entfernt liegenden Artgenossen zu vergleichen, die man heute so sieht wie sie zu einer Zeit waren, als das Universum deutlich jünger war.

Damit ein solches Gravitationslinsensystem funktioniert, müssen die Linsengalaxie, die weiter entfernt liegende und wir als Beobachter aber sehr präzise angeordnet sein.

“Allein der Zufall bestimmt, ob die Anordnung passt. Gravitationslinsen sind sehr selten und außerdem oft schwer als solche zu identifizieren”, ergänzt Hugo Messias “Aber aktuelle Studien haben gezeigt, dass man im fernen Infrarot und bei Millimeterwellenlängen viel effizienter bei der Suche nach ihnen ist.”

H-ATLAS J142935.3-002836 (oder kurz H1429-0028) ist eine solche Gravitationslinse und wurde im Rahmen des Herschel Astrophysical Terahertz Large Area Survey (H-ATLAS) entdeckt. Auf Aufnahmen im sichtbaren Licht ist sie nur sehr schwach, dennoch zählt sie zu den hellsten Gravitationslinsenobjekten im fernen Infrarot, die man bislang finden konnte, und das obwohl wir es heute in dem Zustand sehen, in dem es sich befand als das Universum nur halb so alt war wie heute.

Die nähere Untersuchung dieses Objektes ist somit an der Grenze dessen, was überhaupt möglich ist. Das internationale Astronomenteam startete daher eine ausgedehnte Nachbeobachtungskampagne, an denen einige der leistungsfähigsten Teleskope der Welt beteiligt waren – sowohl vom Erdboden aus, als auch aus dem Weltall. darunter waren das NASA/ESA Hubble Space Telescope, ALMA, das Keck-Observatorium, das Karl Jansky Very Large Array (JVLA) und viele andere mehr. Die verschiedenen Teleskope lieferten dabei unterschiedliche Ansichten in verschiedenen Wellenlängenbereichen, die sich zu einem einzigartigen Einblick in die Natur dieses ungewöhnlichen Objekts vereinigen ließen.

Die Hubble- und Keck-Aufnahmen zeigten detailliert einen durch den Gravitationslinseneffekt bedingten Lichtring um die Vordergrundgalaxie. Gleichzeitig konnte man anhand dieser hochaufgelösten Aufnahmen nachweisen, dass die Linsengalaxie eine Scheibengalaxie ähnlich unserer Milchstraße ist, die wir von der Seite sehen, und dass Teile des Hintergrundlichts von den großen Staubwolken, die sie enthält, verdeckt werden.

Dieser Abdunklungseffekt ist für ALMA und das JVLA allerdings kein Problem mehr, denn diese beiden Einrichtungen beobachten den Himmel bei längeren Wellenlängen, so dass sie von Staub nicht beeinflusst werden. Die Wissenschaftler konnten daraufhin anhand der Kombination der Daten feststellen, dass das Hintergrundobjekt in Wirklichkeit zwei gerade miteinander kollidierende Galaxien sind. ALMA und das JVLA wurden damit die Hauptakteure bei der weiteren Charakterisierung des Objekts.

ALMA hat dabei insbesondere Kohlenstoffmonoxid in den Galaxien vermessen, über das man die Mechanismen der Sternentstehung detailliert untersuchen kann. Anhand der ALMA-Beobachtungen konnte man außerdem die Bewegung der Materie in der weiter entfernten Galaxie bestimmen. Für den Nachweis, dass die von der Gravitationslinse abgebildeten Objekte in der Tat kollidierende Galaxien sind, in denen sich Hunderte neue Sterne pro Jahr bilden, war dies essentiell. Eine der beiden wechselwirkenden Galaxien zeigt zudem Anzeichen für eine Eigendrehung, was darauf hin deutet, dass sie vor dieser Begegnung eine Scheibengalaxie gewesen ist.

Das System wechselwirkender Galaxien ähnelt damit einem bekannten Himmelsobjekt, das sich viel näher an uns befindet: den Antennengalaxien. Dabei handelt es sich um den spektakulär aussehenden Zusammenstoß zweier Galaxien, bei denen man davon ausgeht, dass sie zuvor eine Scheibenstruktur hatten. Die Antennengalaxien erzeugen allerdings nur Sterne mit einer Rate von wenigen zehn Sonnenmassen pro Jahr, während H1429-0028 Gas mit mehr als 400 Sonnenmassen pro Jahr in Sterne umsetzt.

Rob Ivison, wissenschaftlicher Direktor der ESO und einer der Koautoren der neuen Studie schließt: “ALMA war der Schlüssel zur Lösung des Rätsels dieses Objekts, weil wir mit seiner Hilfe die Information über die Geschwindigkeit des Gases in den Galaxien bekommen konnten. Das wiederum hat es möglich gemacht, die verschiedenen Komponenten zu identifizieren und auseinanderzuhalten, so dass wir die klassische Signatur einer  Galaxienverschmelzung rekonstruieren konnten. Unsere Studie hat eine Galaxienkollision auf frischer Tat dabei ertappt, wie sie besonders starke Sternentstehung auslöst.”

Endnoten

[1] Unter der Armada von Instrumenten, die man für die Enträtseltung dieses Falls eingesetzt hat, befanden sich nicht weniger als drei ESO-Teleskope – ALMA, APEX und VISTA. Die anderen beteiligten Teleskope und Druchmusterungen waren das NASA/ESA Hubble Space Telescope, das Gemini South-Teleskop, das Keck II-Teleskop, das NASA Spitzer Space Telescope, das Jansky Very Large Array, CARMA, IRAM, sowie SDSS und WISE.

Weitere Informationen

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Von europäischer Seite aus wird ALMA über die Europäische Südsternwarte (ESO) finanziert, in Nordamerika von der National Science Foundation (NSF) der USA in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC) und dem taiwanesischen National Science Council (NSC), und in Ostasien von den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan. Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse von Hugo Messias et al. werden am 26. August 2014 unter dem Titel „Herschel-ATLAS and ALMA HATLAS J142935.3-002836, a lensed major merger at redshift 1.027”  in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics erscheinen.

Die beteiligten Wissenschaftler sind Hugo Messias (Universidad de Concepción, Barrio Universitario, Chile und Centro de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Lisboa, Portugal), Simon Dye (School of Physics and Astronomy, University of Nottingham, Großbritannien), Neil Nagar (Universidad de Concepción, Barrio Universitario, Chile), Gustavo Orellana (Universidad de Concepción, Barrio Universitario, Chile), R. Shane Bussmann (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), Jae Calanog (Department of Physics & Astronomy, University of California, USA), Helmut Dannerbauer (Universität Wien, Institut für Astrophysik, Österreich), Hai Fu (Astronomy Department, California Institute of Technology, USA), Edo Ibar (Pontificia Universidad Católica de Chile, Departamento de Astronomía y Astrofísica, Chile), Andrew Inohara (Department of Physics & Astronomy, University of California, USA), R. J. Ivison (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Großbritannien und ESO, Garching), Mattia Negrello (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Italien), Dominik A. Riechers (Astronomy Department, California Institute of Technology, USA und Department of Astronomy, Cornell University, USA), Yun-Kyeong Sheen (Universidad de Concepción, Barrio Universitario, Chile), Simon Amber (The Open University, Milton Keynes, Großbritannien), Mark Birkinshaw (H. H. Wills Physics Laboratory, University of Bristol, Großbritannien und Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), Nathan Bourne (School of Physics and Astronomy, University of Nottingham, Großbritannien), Dave L. Clements (Astrophysics Group, Imperial College London, Großbritannien), Asantha Cooray (Department of Physics & Astronomy, University of California, USA und Astronomy Department, California Institute of Technology, USA), Gianfranco De Zotti (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Italien), Ricardo Demarco (Universidad de Concepción, Barrio Universitario, Chile), Loretta Dunne (Department of Physics and Astronomy, University of Canterbury, New Zealand und Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Großbritannien), Stephen Eales (School of Physics and Astronomy, Cardiff University,Großbritannien), Simone Fleuren (School of Mathematical Sciences, University of London, Großbritannien), Roxana E. Lupu (Department of Physics and Astronomy, University of Pennsylvania, USA), Steve J. Maddox (Department of Physics and Astronomy, University of Canterbury, New Zealand und Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Großbritannien), Michał J. Michałowski (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Großbritannien), Alain Omont (Institut d’Astrophysique de Paris, UPMC Univ. Paris, Frankreich), Kate Rowlands (School of Physics & Astronomy, University of St Andrews, Großbritannien), Dan Smith (Centre for Astrophysics Research, Science & Technology Research Institute, University of Hertfordshire, Großbritannien), Matt Smith (School of Physics and Astronomy, Cardiff University,Großbritannien) und Elisabetta Valiante (School of Physics and Astronomy, Cardiff University, Großbritannien).

Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) 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, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. 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 bei den neuartigen Teleskopverbund ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO ein Großteleskop mit 39 Metern Durchmesser 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-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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Hugo Messias
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Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1426.