Pressemitteilung

Endlich geklärt: Warum in vielen Durchmusterungen des fernen Universums 90% der Galaxien übersehen werden

24. März 2010

Astronomen wissen seit längerem, dass bei Durchmusterungen des fernen Universums häufig nur ein Teil desim Inneren von Galaxien erzeugten Lichtes beobachtet wird. Mithilfe einer sehr weit reichenden Durchmusterung mit zwei der vier großen 8,2m-Teleskope des Very Large Telescope (VLT) der ESO und einem eigens für das Projekt angefertigten Filter haben Astronomen jetzt festgestellt, dass ein Großteil der Galaxien, deren Licht 10 Milliarden Jahre lang unterwegs ist, bevor es uns erreicht, bislang unentdeckt blieb. Bei dieser Studie wurden außerdem einige der lichtschwächsten Galaxien sichtbar, die jemals beobachtet wurden.

Wenn es darum geht, die Anzahl von Sternen zu bestimmen, die in weit entfernten Galaxien entstehen, verlassen sich Astronomen oftmals auf die Lyman-alpha-Linie, einen charakteristischen, deutlich sichtbaren „Fingerabdruck“, der von leuchtendem Wasserstoff erzeugt wird [1]. Doch schon seit längerem besteht der Verdacht, dass bei solchen Studien viele der weit entfernten Galaxien übersehen werden. Eine neue Studie mit dem VLT hat diese Vermutung nun erstmals bestätigt. Der Großteil des Lyman-alpha-Lichts bleibt innerhalb der Galaxie gefangen, anstatt abgestrahlt zu werden, so dass 90% aller Galaxien in solchen Lyman-alpha-Studien gar nicht erst sichtbar werden.

“Wir wußten schon immer, dass uns bei den Lyman-alpha-Studien ein bestimmter Anteil der Galaxien entgeht, aber jetzt haben wir zum allerersten Mal einen Messwert”, erklärt Matthew Hayes, der Erstautor der neuen Studie, die diese Woche in der Fachzeitschrift Nature erscheint. “Die Anzahl der fehlenden Galaxien ist beträchtlich.”

Um zu bestimmen, wieviel der eigentlichen Leuchtkraft der Galaxien verloren geht, führten Hayes und sein Team zunächst mit dem FORS-Instrument an einem der 8,2m-Teleskope des VLT und einem schmalbandigen Filter [2], der speziell für diese Studie entwickelt wurde, um das Lyman-alpha-Licht zu messen, eine ganz normale Lyman-alpha-Studie durch. Anschließend untersuchten sie mit der neuen Kamera HAWK-I an einem zweiten der großen Teleskope denselben Himmelsausschnitt auf H-alpha-Licht hin, das ebenfalls von leuchtendem Wasserstoff ausgesendet wird, allerdings bei einer anderen Wellenlänge. Für die neue Studie hatten die Astronomen das sogenannte “GOODS-South”-Feld ausgesucht, eine Himmelsregion, die mit anderen Methoden bereits sehr gut untersucht ist. Außerdem konzentrierten sie sich auf Galaxien, deren Licht rund 10 Milliarden Jahre lang unterwegs war, bevor es uns erreicht, was einer Rotverschiebung [3] von 2,2 entspricht.

“Entscheidend war, dass wir erstmals einen Bereich des Himmels so eingehend bei zwei verschiedenen Wellenlängen des Lichts beobachtet haben, in denen der Wasserstoff leuchtet.” erläutert Teammitglied Göran Östlin. Die Aufnahmen wurden sehr lange belichtet und reichen deshalb besonders tief. Sie enthüllten einige der lichtschwächsten Galaxien, die man in dieser Entfernung und damit in diesem Zeitalter des Universums kennt. Daraus konnten die Astronomen schließen, dass die herkömmlichen Lyman-alpha-Studien nur etwa 5% des Lichtes nachweisen, das insgesamt erzeugt wird. Der Großteil der Lyman-alpha-Lichtteilchen wird auf dem Weg zu uns von interstellaren Gas- und Staubwolken weggefiltert. Für die H-alpha-Lichtteilchen ist dieser Effekt sehr viel kleiner, so dass viele Galaxien – sogar bis zu 90% von ihnen – in den Lyman-alpha-Studien verloren gehen. “Überall wo man in Lyman-alpha zehn Galaxien sieht, könnten in Wirklichkeit einhundert sein”, ergänzt Hayes.

Beobachtungsmethoden, die nur auf einzelne Wellenlängen angewandt werden, liefern immer ein unvollständiges Bild des Universums. Die Ergebnisse der neuen Studie sprechen daher eine deutliche Warnung an die Kosmologen aus, die sich bei ihren Untersuchungen der Entstehung der allerersten Galaxien im Universum sehr stark auf die Lyman-alpha -Messungen verlassen. “Jetzt, da wir wissen, wieviel Wasserstofflicht uns bisher entgangen ist, können wir beginnen, neue Modelle des Kosmos zu entwickeln, in denen besser berücksichtigt wird, wie schnell Sterne zu verschiedenen Zeiten seit Anbeginn des Universums entstanden sind”, so Koautor Miguel Mas-Hesse.

Der Durchbruch gelang den Astronomen mithilfe der einzigartigen, hochmodernen Kamera HAWK-I, die seit 2007 am VLT eingesetzt wird. “Es gibt nur wenige Kameras mit derart großem Blickfeld, und die kommen allesamt an Teleskopen zum Einsatz, die weniger als halb so groß sind wie die des VLT. Nur mit der Kombination VLT/HAWK-I kann man so effizient lichtschwache Galaxien bei großer Entfernung entdecken” so Teammitglied Daniel Schaerer.

Endnoten

[1] Lyman-alpha-Licht wird ausgesendet, wenn das Elektron in einem Wasserstoffatom vom ersten angeregten Zustand in den Grundzustand zurückkehrt. Lyman-alpha-Strahlung ist ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 121.6 nm. Die Lyman-alpha-Linie ist die erste Linie der sogenannten Lyman-Serie des Wasserstoffs, bei der das Elektron immer in den Grundzustand zurückkehrt. Sie ist nach ihrem Entdecker, dem Physiker Theodore Lyman, benannt. Die Balmer-Serie, deren Namensgeber der Schweizer Mathematiklehrer Johann Balmer ist, der eine einfache Formel zu ihrer Berechnung aufstellte, entsteht, wenn das Elektron aus höheren Niveaus in den ersten angeregten Zustand übergeht. Die erste Linie dieser Serie ist die H-alpha-Linie bei einer Wellenlänge von 656.3 nm. Den zur Abstrahlung eines Lichtteilchens umgekehrten Prozess, das “Einfangen” eines Lichtteilchens durch ein Atom, nennt man Absorption. Da sich die meisten Wasserstoffatome in einer Galaxie im Grundzustand befinden, wird Lyman-alpha-Strahlung viel effizienter absorbiert als H-alpha-Licht. Um H-alpha-Strahlung absorbieren zu können, müßte sich ein Wasserstoffatom im ersten angeregten Zustand befinden. Das wäre sehr ungewöhnlich für das kühle interstellare Wasserstoffgas, das die Galaxien durchzieht. Für H-alpha-Licht sind Galaxien deshalb fast vollständig durchsichtig.

[2] Ein schmalbandiger Filter ist ein optischer Filter, der so aufgebaut ist, dass er nur einen schmalen Wellenlängenbereich des Lichtes, zentriert auf eine bestimmte Wellenlänge, hindurchlässt. Zu den typischen Schmalbandfilter gehören solche, die Balmerlinien wie H-alpha abgestimmt sind.

[3] Weil sich das Universum ausdehnt, wird das Licht eines weit entfernten Objektes abhängig von seiner Entfernung “rotverschoben”. Das bedeutet, dass das Licht des Objektes zu längeren Wellenlängen verschoben wird. Eine Rotverschiebung von 2,2 – was in etwa Galaxien entspricht, deren Licht rund 10 Milliarden Jahre lang unterwegs war, bevor es uns erreicht hat – bewirkt, dass das Licht um einen Faktor 3,2 “gedehnt” wird. Das Lyman–alpha-Licht dieser Galaxien kann dann bei einer Wellenlänge von etwa 390 nm, nahe dem sichtbaren Bereich, beobachtet werden. Damit ist es für das FORS-Instrument am VLT messbar. Die H-alpha-Linie dieser Galaxien wird dagegen bis zu einer Wellenlänge von 2,1 µm in das nahe Infrarot verschoben. Dadurch lässt es sich mit der HAWK-I-Kamera des VLT beobachten.

Weitere Informationen

Der FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph (kurz FORS, wörtlich "Brennweitenreduzierer und niedrigauflösender Spektrograf") ist das vielseitigste Instrument des Very Large Telescope. Die Kombination aus astronomischer Kamera und Spektrograf wurde gemeinsam von den Universitätssternwarten in Heidelberg, Göttingen und München und der ESO entwickelt und gebaut.

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse von M. Hayes et al. erscheinen unter dem Titel “Escape of about five per cent of Lyman-α photons from high-redshift star-forming galaxies” als Fachartikel in der Zeitschrift Nature.

Die beteiligten Wissenschaftler sind Matthew Hayes, Daniel Schaerer und Stéphane de Barros (Observatoire Astronomique de l'Université de Genève, Schweiz), Göran Östlin und Jens Melinder (Stockholm University, Schweden), J. Miguel Mas-Hesse (CSIC-INTA, Madrid, Spanien), Claus Leitherer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), Hakim Atek und Daniel Kunth (Institut d'Astrophysique de Paris, Frankreich) und Anne Verhamme (Oxford Astrophysics, 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 14 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. 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 Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts, sowie VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO das European Extremely Large Telescope (E-ELT) für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, mit 42 Metern Spiegeldurchmesser ein Großteleskop der Extraklasse.

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-Mitgliedsstaaten (und einigen weiteren Ländern) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg.

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Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1013.